Les ressources de carbone primaires doivent être progressivement remplacées par des ressources renouvelables plus complexes comme les matières lignocellulosiques, pour produire des biocarburants ou des synthons (bioraffineries de 2ième génération). Cette évolution nécessite de modifications importantes à différentes étapes du procédé, au niveau de la fermentation elle-même ou dans les étapes ultérieures nécessaire pour l'obtention du produit cible. Dans ce travail, nous avons étudié un procédé de production de succinate à partir du xylose. La fermentation a été réalisée en utilisant une souche d' Escherichia coli modifiée par ingénierie métabolique. La purification du succinate a été réalisée par nanofiltration. Des travaux précédents ont permis, par ingénierie métabolique, de mettre au point une souche E. coli KJ122 permettant de produire du succinate par fermentation anaérobie de glucose dans un milieu contenant des sels minéraux. Cette souche ne permet cependant pas une fermentation performante lorsque le xylose est utilisé comme substrat. Afin de lever cette limitation, E. coli KJ122 a été modifiée. Le transporteur ABC codant pour les gènes xylFGH a été inactivé par une technique de suppression de gènes. La souche ainsi obtenue, baptisée KJ12201 (E. coli KJ122 ?xylFGH) a permis d'atteindre des vitesses de croissances rapides, des consommations de xylose et une production de succinate améliorées par rapport à la souche parente. Après modification génétique, E. coli KJ12201-14T permet de produire en mode une concentration élevée de succinate de 84 g/L, la concentration d'acétate accumulée étant de 11 g/L, à partir d'un milieu de composition adaptée (AM1) contenant 10% de xylose. En fermentation fed-batch, E. coli KJ12201-14T permet de produire du succinate à une concentration de 84 g/L, avec un rendement de 0.85 g/g et une productivité de 2 g/L/h. Ces résultats démontrent les potentialités de cette souche pour produire du succinate à partir de xylose ou d'hydrolysats riches en xylose issus de matières lignocellulosiques. La nanofiltration a ensuite été considérée afin de purifier le succinate obtenu par fermentation. Les expériences ont été réalisées avec une membrane NF45 et des milieux de fermentation synthétiques contenant le succinate et différentes impuretés, sels minéraux, glucose ou autres sels d'acides organiques, acétate en particulier. L'influence des conditions opératoires (pH, pression) sur les performances de la NF a été évaluée. Les mécanismes gouvernant le transfert des espèces à travers la membrane ont été étudiés afin d'expliquer la variation des rétentions en fonction de la composition du milieu. En solution simple, les résultats ont montré que la rétention du succinate augmente avec la pression appliquée et avec le pH et diminue lorsque la concentration augmente. Pour des concentrations faibles, de l'ordre de 0.1M, les rétentions du succinate et de l'acétate en mélange sont différentes et identiques à celles en solution simples. Une bonne purification du succinate est ainsi possible. Au contraire, pour des concentrations plus élevées en succinate, la rétention diminue par suite de l'écrantage des effets de charge. Les rétentions étant trop proches, la séparation acétate/succinate devient impossible. Considérant les mécanismes ainsi mis évidence, une méthodologie a été proposée afin de réaliser la purification du succinate obtenu par fermentation. La séparation acétate/succinate est effectuée en deux étapes. Une diafiltration du jus de fermentation, préalablement dilué, est d'abord réalisée en utilisant la membrane NF45. Le rétentat purifié est ensuite concentré, en utilisant une membrane d'osmose inverse. Grace à ce procédé, il est possible d'augmenter la pureté du succinate de 85 à plus de 99.5% avec un rendement global supérieur à 92%. L'intérêt de la nanofiltration pour purifier le succinate produit par fermentation est ainsi démontrée. / Current trend is to move from primary carbohydrate resources to more complex ones like lignocellulosic materials as a bio-renewable feedstock, to produce biofuels or chemical building blocks. This evolution requires significant modifications at different stages in the bioprocess engineering, including fermentation and downstream processes. In this work, the succinate production by a newly metabolically engineered Escherichia coli from xylose, and its purification from fermentative broth by nanofiltration were studied. Escherichia coli KJ122 strain was previously engineered to produce high titers and yields of succinate in mineral salts medium containing glucose under simple-batch anaerobic conditions. However, this strain does not efficiently utilize xylose due to catabolic repression. To improve the xylose uptake and its utilization of E. coli KJ122, xylFGH genes were inactivated by the gene deletion technique. The mutant strain named KJ12201 (E. coli KJ122 ?xylFGH) exhibited high abilities in fast growth, xylose consumption and succinate production compared to those of the parental strains. After performing metabolic evolution, E. coli KJ12201-14T efficiently consumed 10% xylose to produce a high succinate concentration at 84 g/L with an accumulated acetate concentration at 11 g/L in mineral salts medium (AM1) under batch fermentation. During fed-batch fermentation, E. coli KJ12201-14T produced succinate at a concentration, yield, and overall productivity of 84 g/L, 0.85 g/g, and 1.0 g/L/h, respectively. These results demonstrated that E. coli KJ12201 would be a potential strain for the economic bio-based succinate production from xylose and other xylose-rich hydrolysates derived from lignocellulosic materials. The succinate purification from fermentation broth by nanofiltration (NF) was also investigated. The experiment was carried out with a NF45 membrane and various synthetic fermentation broths containing succinate salt and different impurities such as inorganic salts, glucose, and other organic acid salts including acetate. The influence of the operating conditions (pH, pressure) as well as the broth composition on the NF performances was evaluated. The mechanisms governing the transfer of the solutes through the membrane were studied in order to explain the different solute retentions observed according to the fermentation broth composition. In single-solute solutions, the succinate retention increases with increasing pressure and feed pH and decreases with increasing feed concentration. For instance, at a low salts concentration at 0.1 M, it was observed that the retentions of succinate and acetate in the mixture are identical to those in single solutions. Thus, a good purification of succinate can be obtained. On the contrary, with higher succinate concentrations, the retention was decreased due to the screening effect. Retentions of those solutes were then too close to achieve a separation. Based on abovementioned mechanisms observed, a methodology was proposed to perform the succinate purification from fermentation broth. The succinate/acetate separation was carried out in two steps. A diafiltration of the diluted fermentation broth was initially performed, and the concentration step followed. With this process, it was possible to increase the succinate purity from 85% to more than 99.5% while maintaining a total yield higher than 92%. From this work, it was shown that NF could be effectively used for the succinate purification from fermentation broth.

L’immunothérapie anti-cancéreuse vise à éliminer les cellules tumorales en stimulant les propres cellules du système immunitaire du patient. Dans ce projet, nous avons développé une nouvelle stratégie d’immunothérapie visant à cibler directement des immunostimulants a la surface des cellules tumorales par ligation bio-orthogonale. Nous utilisons, pour marquer spécifiquement les cellules tumorales, leur métabolisme particulier et très actif qui permet d’intégrer à leur surface, dans leurs glycanes, des azido sucres capables de se lier en grand nombre avec divers immunostimulants portant des groupements réactifs adéquats (= glyco-ingénierie métabolique). Pour la ligation aux glycanes, nous employons la chimie bio-orthogonale qui est basée sur l’utilisation de 2 groupements mutuellement réactifs, tous 2 absents des milieux biologiques et qui peuvent se coupler rapidement très sélectivement et donc pratiquement sans réactions secondaires dans des conditions douces compatibles avec une application in vivo. Notre choix d’immunostimulants s’est porte sur les oligonucléotides de type CpG (puissants immunostimulants) et sur les β-glucanes qui, en combinaison avec des anticorps thérapeutiques, stimulent la phagocytose et n’entrainent pas une secretion importante de cytokines. Ainsi, après avoir determiné les meilleures conditions d’incorporation des azido sucres et mis au point le couplage des immunostimulants à différents groupements bioorthogonaux, nous sommes parvenus à montrer in vitro la fixation des immunostimulants à la surface de différentes lignées tumorales. Des tests immunologiques in vitro et une étude in vivo ont ensuite permis de valider l’effet des immunostimulants fixés à la surface des cellules tumorales. Nous avons ainsi observe sur une série de souris, un ralentissement de développement tumoral en présence d’un puissant immunostimulant fixé sur les cellules tumorales. / Cancer immunotherapy uses the patient's own immune system to fight cancer. In this research project, we propose a new strategy for immunotherapy: binding immunostimulants in situ to the tumor cell surface using bio-orthogonal chemistry. For that purpose we use the particular and active metabolism of tumor cells to introduce by metabolic glycoengineering into their cell surface glycans, azido sugars capable of binding many different immunostimulants carrying adequate reactive groups. The biorthogonal chemistry allowing this specific ligation is based on the use of two mutually reactive groups both naturally absent from biological systems and which can be coupled selectively and very quickly in conditions totally compatible with living organisms. Our choice of immunostimulants consists, on one hand, of CpG oligonucleotides (powerful general immunostimulants) and on the other hand of β-glucans (phagocytosis stimulants used in combination with therapeutic antibodies without causing strong cytokine secretion). We determined the best conditions for the introduction of azido sugars into cell glycans of different tumor models and tried different biorthogonal groups and reaction conditions to obtain the best immunostimulant coupling to the surface of various tumor cell lines. Then, we performed in vitro immunological tests and in vivo studies in mice in order to validate the effect of the association between immunostimulants and tumor cells on the immune response against tumors. Thereby, we observed on a group of mice, reduced tumor growth when the strong immunostimulant CpG was fixed onto tumor cell surface.

Afin d’optimiser la production d’un composé d’intérêt tout en évitant les conséquences néfastes sur la viabilité cellulaire, un défi majeur de l’ingénierie métabolique est d’obtenir un équilibre entre les flux métaboliques endogènes de la cellule et le flux consommé par une nouvelle voie de biosynthèse. Dans ce contexte d’optimisation, les stratégies combinatoires génèrent une diversité de voies métaboliques et de modes de régulation rassemblant de précieuses informations quant aux choix d’orientations stratégiques à faire. Notre étude s’inscrit dans un projet visant à produire les molécules responsables de l’arôme, de la couleur et du parfum du safran (Crocus sativus) chez Saccharomyces cerevisiae. Une approche combinatoire a été adoptée pour moduler les niveaux d’expression de trois gènes menant à la synthèse de leur précurseur commun : la zéaxanthine. Cette stratégie nous a permis de décrire des biais inattendus dans la régulation des niveaux d’expression des gènes exprimés sur plasmide. Nous avons détecté une forte interférence transcriptionnelle entre les gènes dans notre système, ainsi qu’une influence de la nature des séquences codantes. Ces éléments, identifiés comme critiques, imposent sur les niveaux d’expression des trois gènes une régulation plus importante que la force des promoteurs qui les contrôlent. Afin de poursuivre le projet vers son objectif final, la réaction de clivage de la zéaxanthine menant à la synthèse des composés d’intérêt du safran a fait l’objet d’une analyse fonctionnelle détaillée. Une absence d’activité de l’enzyme décrite dans la littérature comme responsable de cette réaction nous a conduits à proposer des perspectives d’ingénierie pour atteindre l’objectif final du projet / To optimize the production of a value added compound while avoiding toxic consequences on the cell viability, a challenge in the metabolic engineering field is to balance the endogenous metabolic fluxes and the newly consumed fluxes. In this optimization context, combinatorial strategies can generate several variants of synthetic metabolic pathways. This strategy gives precious strategic information on the right combinations of function and regulation choices to be made in the ultimate pathway reconstruction. Our study aimed at the production of the molecules responsible for aroma, dye, and fragrance of saffron (Crocus sativus) in Saccharomyces cerevisiae. A combinatorial approach was chosen to modulate expression levels of three genes involved in their common precursor biosynthesis: zeaxanthin. This strategy allowed us to describe some unexpected bias in the regulation of the plasmid-encoded genes expression levels. We detected strong transcriptional interference between the different genes in our system, and the ORF nature also seemed to influence the expression levels. These critical factors imposed a stronger regulation of the three genes expression levels than the promoter strength initially chosen to control them. The project was continued toward its final objective by making a detailed functional analysis of the zeaxanthin cleavage reaction leading to the molecules of interest synthesis. This reaction was described to be catalyzed by a specific enzyme, but no activity was observed in our experiments. This result led us to propose some tools to reach the final goal of the project

Le métabolisme définit l’ensemble des réactions biochimiques au sein d’un organisme, lui permettant de survivre et de s’adapter dans différents environnements. La régulation de ces réactions requiert un processus complexe impliquant de nombreux effecteurs interagissant ensemble à différentes échelles.Développer des modèles de ces réseaux de régulation est ainsi une étape indispensable pour mieux comprendre les mécanismes précis régissant les systèmes vivants et permettre, à terme, la conception de systèmes synthétiques, autorégulés et adaptatifs, à l'échelle du génome. Dans le cadre de ces travaux interdisciplinaires, nous proposons d’utiliser une approche itérative d’inférence de réseau et d’interrogation afin de guider l’ingénierie du métabolisme de la levure d’intérêt industriel Yarrowia lipolytica.À partir de données transcriptomiques, le premier réseau de régulation de l’adaptation à la limitation en azote et de la production de lipides a été inféré pour cette levure. L’interrogation de ce réseau a ensuite permis de mettre en avant et valider expérimentalement l’impact de régulateurs sur l'accumulation lipidique.Afin d’explorer davantage les liens entre régulation et métabolisme, une nouvelle méthode, CoRegFlux, a été proposée pour la prédiction de phénotype métabolique à partir des profils d’activités des régulateurs dans les conditions étudiées.Ce package R, disponible sur la plateforme Bioconductor, a ensuite été utilisé pour mieux comprendre l’adaptation à la limitation en azote et identifier des phénotypes d’intérêts en vue de l’ingénierie de cette levure, notamment pour la production de lipides et de violacéine.Ainsi, par une approche itérative, ces travaux apportent de nouvelles connaissances sur les interactions entre la régulation et le métabolisme chez Y. lipolytica, l’identification de motifs de régulation chez cette levure et contribue au développement de méthodes intégratives pour la conception de souches assistée par ordinateur. / Metabolism defines the set of biochemical reactions within an organism, allowing it to survive and adapt to different environments. Regulating these reactions requires complex processes involving many effectors interacting together at different scales.Developing models of these regulatory networks is therefore an essential step in better understanding the precise mechanisms governing living systems and ultimately enabling the design of synthetic, self-regulating and adaptive systems at the genome level. As part of this interdisciplinary work, we propose to use an iterative network inference and interrogation approach to guide the engineering of the metabolism of the yeast of industrial interest Yarrowia lipolytica.Based on transcriptomic data, the first network for the regulation of adaptation to nitrogen limitation and lipid production in this yeast was inferred.The interrogation of this network has then allowed to to highlight and experimentally validate the impact of several regulators on lipid accumulation. In order to further explore the relationships between regulation and metabolism, a new method, CoRegFlux, has been proposed for the prediction of metabolic phenotype based on the influence profiles of regulators in the studied conditions. This R package, available on the Bioconductor platform, was then used to better understand adaptation to nitrogen limitation and to identify phenotypes of interest for strain engineering, particularly for the production of lipids and amino acid derivatives such as violacein.Thus, through an iterative approach, this work provides new insights into the interactions between regulation and metabolism in Y. lipolytica, conserved regulatory module in this yeast and contributes to the development of innovative integrative methods for computer-assisted strain design.

Le sclaréol est un diterpène produit par les organes floraux de la sauge sclarée (Salvia sclarea, Lamiaceae). Il est utilisé en parfumerie pour l’hémisynthèse de l’ambroxide, une substance caractérisée par une odeur ambrée et une grande capacité de fixation des parfums. L’augmentation de la demande mondiale en sclaréol stimule actuellement les tentatives d’accroître le rendement de la production de sclaréol à partir de la sauge sclarée. L’objectif du travail présenté dans ce manuscrit était d’améliorer notre compréhension de la biosynthèse du sclaréol et de sa régulation chez la sauge sclarée, afin de mettre en évidence des stratégies d’augmentation du contenu en sclaréol de la sauge sclarée. L'analyse de la surface des calices de sauge sclarée par imagerie par spectrométrie de masse suggère que le sclaréol est principalement sécrété par des structures épidermiques spécialisées appelées trichomes glandulaires. De plus, nous avons mis en évidence les contributions respectives des deux voies de biosynthèse des terpènes présentes chez les plantes, les voies MVA et MEP, à la biosynthèse de trois terpènes de la sauge sclarée. Des expériences de marquage au ¹³C indiquent que le sclaréol et l’acétate de linalyle sont tous deux issus de la voie MEP, alors que le β-caryophyllène semble être d’origine mixte. Nous avons également étudié le rôle potentiel d’une phytohormone, le méthyljasmonate, dans la régulation de la production de sclaréol chez la sauge sclarée. Enfin, nous avons exploré la diversité génétique et phénotypique de populations croates de sauge sclarée sauvage, et montrons que ces populations représentent une ressource génétique distincte par rapport aux populations de référence. L’ensemble de ces résultats met en évidence des pistes prometteuses pour l'amélioration génétique ciblée des performances de la sauge sclarée. / Sclareol is a diterpene produced by floral organs of clary sage (Salvia sclarea, Lamiaceae). It is used in perfume industry for the hemisynthesis of ambroxide, a high-valued perfume component characterized by an amber scent and a high perfume fixation capacity. The global demand for sclareol currently rises, prompting attempts at increasing the yield of sclareol production from clary sage. The purpose of the work presented in this manuscript was to improve knowledge on sclareol biosynthesis and its regulation in clary sage, in order to highlight strategies aiming at enhancing clary sage sclareol content. The analysis of the surface of clary sage calyces by mass spectrometry imaging suggests that sclareol is mainly secreted by specialized epidermal structures called glandular trichomes. Moreover, we have highlighted the respective contributions of the two terpenoid biosynthesis pathways present in plants, MVA and MEP pathways, to the biosynthesis of three terpenoids of clary sage. ¹³C-labeling experiments indicate that sclareol and linalyl acetate both originate from the MEP pathway, whereas β-caryophyllene seems to be of mixed origin. We have also investigated the potential role of a phytohormone, methyljasmonate, in the regulation of sclareol production in clary sage. Finally, we have explored the genetic and phenotypic diversity of Croatian wild clary sage populations and show that these populations represent a distinct genetic resource compared to reference populations. Taken together, these results highlight promising avenues for targeted genetic enhancement of clary sage performances.

Ces travaux visaient à étudier la possibilité de réduire la production de glycérol chezSaccharomyces cerevisiae, afin d’améliorer le rendement éthanol, tout en préservant les capacités decroissance et de production des levures. La production minimale de glycérol nécessaire à la croissancea été déterminée à l'aide d'un modèle de calcul des flux métaboliques. Des souches présentant uneactivité des enzymes de la voie de production du glycérol modulée, afin de s'approcher au plus près del'activité minimale nécessaire estimée in silico, ont été utilisées.Cette stratégie d’ajustement de l’activité de la voie de synthèse du glycérol a permis, encondition aérobie, de réduire de 88 % le rendement glycérol et d'améliorer le rendement éthanol de4,7 % sans modifier la tolérance des mutants à l'éthanol, mais au détriment de la vitesse spécifique decroissance, légèrement réduite. En condition anaérobie, une diminution de 61 % du rendementglycérol et une amélioration de 7 % du rendement éthanol ont pu être obtenues, mais au détriment dela vitesse spécifique de croissance,qui subit une sévère diminution, et de la tolérance à l'éthanol,qui estréduite.L'analyse fine des résultats, grâce à un modèle métabolique, a permis de mettre en évidence,chez les souches mutantes, un besoin accru en énergie, interprété comme la traduction d'une plusgrande difficulté à gérer le stress du procédé et une réorganisation du métabolisme oxydo-réductif,interprétée comme l'impact de la réduction du glycérol sur les voies de réoxydation du cofacteurNADH dans les cellules.Ces résultats ont permis de valider la pertinence de la stratégie de réajustement des fluxmétaboliques, assistée par modélisation stoechiométrique pour l'amélioration des souches, mais aussid'accroître la compréhension du rôle physiologique du glycérol et son intégration au métabolismecellulaire. / This work aimed to assess the possibility of reducing Saccharomyces cerevisiae's glycerolproduction, in order to improve ethanol yield, without altering the abilities of yeasts to grow andproduce ethanol. Minimum glycerol production required for growth was found, thanks to a metabolicflux calculation model. Strains showing a fine tuned activity in the glycerol synthesis pathway enzymeswere used, to get close to the minimum activity established in silico.This fine tuning strategy lead, in aerobiosis, to a 88 % glycerol yield decrease together with a4.7 % ethanol yield increase, with no reduction of mutants'ethanol tolerance, but there is a slightdecrease of the growth rate. In anaerobiosis, a 61 % glycerol yield decrease, together with a 7 %ethanol yield increase were obtained, but mutant strains suffered of a sharp growth rate reduction anda decrease in their ethanol tolerance.A close analysis of the results, with the help of a metabolic model, highlighted both an increaseof mutants' energy requirements, interpreted as an increased difficulty to cope with osmotic stress,and a reorganisation of their oxydo-reductive metabolism, interpreted as glycerol reduction's impacton the NADH cofactor reoxydation pathway.These results validated the relevance of metabolic fine-tuning, assisted with in silicostoichiometric model for strains improvement and they increased the understanding of the integrationof glycerol in cell metabolism as well as its physiological role.

L’objectif de cette thèse est de développer une nouvelle souche de champignon filamenteux pour la production d’acide lactique. Pour répondre à cet objectif, nous avons tout d’abord d’exploré la biodiversité fongique à la recherche de champignons filamenteux capables de produire de l’acide lactique ou présentant de bonnes prédispositions pour la production d’acides organiques sans neutralisation du pH. Grâce à ce criblage, une souche sauvage d’Aspergillus brasiliensis a été sélectionnée et utilisée pour construire, grâce à l’ingénieure métabolique, les premières souches d’Aspergillus capables de produire de l’acide lactique à pH acide. Ces souches ont ensuite été caractérisées et les conditions de culture en fioles et fermenteurs volumes ont été étudiées. Cette étude des conditions de culture donne des résultats prometteurs et dévoile de nombreuses voies possibles pour continuer à améliorer la production d’acide lactique par ces organismes. / The objective of this thesis is to develop a new filamentous fungal strain for the production of lactic acid. To meet this goal, we first explored the fungal biodiversity in order to find filamentous fungi able to produce lactic acid or having good predispositions for the production of organic acids without pH neutralization. Through this screening, a wild type strain of Aspergillus brasiliensis was selected and used to construct, using the metabolic engineer, new strains capable of producing lactic acid at an acidic pH. These strains were then characterized and culture conditions in flasks and bioreactors were studied. The study of culture conditions shows promising results and reveals many possible ways to further improve the production of lactic acid by these organisms.

Les biotechnologies sont un outil puissant permettant d’emprunter les circuits biologiques pour produire des composés aux applications multiples (médecine, alimentation, industries…). Les cyanobactéries possèdent des propriétés génétiques et trophiques précieuses pour réduire les coûts et l’empreinte environnementale de ces procédés (photosynthèse, fixation du CO₂, sources d’azote assimilables...). Elles produisent aussi naturellement certaines molécules énergétiques comme le H₂ dont pourraient émerger de nouvelles filières propres de biocarburants. Cependant, une compréhension globale et approfondie de leur physiologie est nécessaire pour concevoir un châssis biologique performant à partir de ces organismes. Elles sont aisément manipulables génétiquement mais présentent une versatilité favorisant la fixation de mutations bénéfiques mais aussi délétères pour leur exploitation à grande échelle. Au cours de ma thèse, j’ai construit et étudié des mutants d’un régulateur de l’assimilation du CO₂ dont l’activation est liée à la photosynthèse. J’ai montré que l’activité du cycle de Calvin synchronise les flux du carbone et le statut rédox de Synechocystis et que sa dérégulation se répercute de manière pléiotropique sur son métabolisme. Plus spécifiquement, je me suis intéressé au déséquilibre carbone/azote dans cette espèce et à son métabolisme de l’urée qui présente un intérêt biotechnologique considérable. J’ai démontré que ce dernier était en compétition avec l’hydrogénase pour l’insertion du nickel dans leurs centres catalytiques respectifs. L’insuffisance de ce métal a permis de sélectionner des mutants de l’uréase tolérant une exposition prolongée à l’urée et conservant une forte capacité de production de H₂ en présence de ce substrat azoté. L’ensemble de ces résultats montre que le métabolisme de Synechocystis peut être détourné au profit de certains processus cellulaires. Les approches « omiques » permettent d’identifier globalement les réponses physiologiques induites ainsi que les leviers biologiques de compensation. Ces travaux sont discutés au regard des implications biotechnologiques de l’instabilité génétique et de la nécessité de renforcer notre compréhension de la plasticité métabolique et génomique des cyanobactéries. / Biotechnology is a powerful tool allowing exploitation of biological circuits to produce compounds with multiple uses (medicine, nutrition, industrial…). Cyanobacteria have valuable genetic and trophic properties which could reduce the costs and the environmental footprint of these processes (photosynthesis, CO₂ fixation, assimilation of diverse nitrogen sources…). They also naturally produce energetic molecules such as H₂ from which new and sustainable biofuels sectors may rise. However, a global and fine understanding of their physiology is required in order to design an efficient biological chassis with these organisms. They are genetically manipulable but also exhibit a strong versatility favoring fixation of mutations that can be either beneficial or harmful to their large-scale cultivation. Over the course of my PhD, I constructed and studied mutants of a CO₂ fixation regulator whose activation is linked to photosynthesis. I showed that the Calvin cycle activity synchronizes carbon fluxes and redox status in Synechocystis and that its deregulation affects the metabolism in a pleiotropic manner. I was specifically interested into the carbon/nitrogen balance in this species and its urea metabolism which is of prime interest in biotechnology. I demonstrated that the latter was in competition with the hydrogenase for the insertion of nickel into their respective catalytic centers. Scarcity of this metal leads to selection of mutants thriving upon prolonged exposure to urea that retained a high capacity of H₂ production in presence of this nitrogenic substrate. This work shows that the metabolism of Synechocystis can be altered in favor of other cellular processes. Omics approaches allow global identification of the physiological responses induced as well as the biological compensation mechanisms. These observations are discussed with regards to biotechnological implications of genetic instability and the need to strengthen our understanding of metabolic and genetic plasticity in cyanobacteria.

La production microbienne de molécules d'intérêt pourrait être améliorée par des stratégies d'ingénierie du vivant. L'ingénierie enzymatique joue un rôle central dàns la conception d'organismes hôtes efficaces car l'efficacité de la voie dépend en premier lieu de l'efficacité des enzymes. Aujourd'hui, il est utile de savoir quelles conceptions d'enzymes synthétiques sont efficaces et quels paramètres doivent être testés pour les caractériser. La colocalisation spatiale d'enzymes à l'intérieur de la voie métabolique pourrait améliorer la production de la molécule d'intérêt finale en permettant une biotransformation rapide des intermédiaires de la voie de biosynthèse. Des protéines multidomaines regroupant plusieurs activités enzymatiques sont décrites dans la littérature. Ces travaux ont permis la création de fusions synthétiques d'enzymes caroténogéniques pour la production de bêta-carotène chez Saccharomyces cerevisiae. Différents types de fusions et de configurations enzymatiques ont été testés. L'étude a permis ia création d'une fusion enzymatique tripartite efficace produisant deux fois moins d'intermédiaires et deux fois plus de bêta-carotène. Les mesures précises de la concentration de chaque caroténoïde, associées à la quantification des enzymes, ont permis de caractériser l'efficacité de chaque enzyme synthétique. D'autres stratégies de colocalisation spatiale d'enzymes ont également été testées en utilisant des domaines d'interaction tels que la cohesinedockérine ou la protéine oligomériques CcmK2. Certaines enzymes caroténogéniques préservent leur fonctionnalité au sein de ces configurations. Des systèmes enzymatiques construites modifient le flux métabolique des caroténoïdes et produisent des caroténoïdes différents de ceux des enzymes naturelles. Un contrôle plus affiné des activités enzymatiques pourrait permettre un contrôle précis de la nature du caroténoïde final produit / Microbial production of molecules of interest can be improved by severa! engineering strategies. Enzymatic engineering has a central role in the conception of efficient host because pathway's efficiency depends in first place on the efficiency of the enzymes. Knowing which synthetic enzymes conceptions are efficient and knowing to characterize the best candidates are essential. Enzyme colocalisation inside metabolic pathway might improve the production of final molecule of interest by allowing rapid biotransformation of intermediates of the pathway. Multidomain proteins regrouping severa! enzymatic activities are described in the literature. This work has focused in part on the creation of synthetic fusion of sorne carotenogenic enzymes for the production of beta carotene in Saccharomyces cerevisiae. Different types of enzymatic fusions and configurations have been tested and. characterized. The study allowed the creation of an efficient tripartite enzyme. fusion which produces two times Jess intermediates and two times more beta carotene. Precise measurement of each caro teno id' s concentration coupled with quantification of enzymes allows the characterization of the efficiency of each synthetic enzyme. Other strategies for enzyme spatial co localisation have also been tested using domains of interaction like cohesin-dockerin or the oligomeric protein CcmK2. Sorne carotenogenic enzymes are still functional using those configurations. Sorne of the enzymatic systems modify the metabolic flow ofcarotenoids and produce carotenoids different from the natural systems. Sorne strategies have changed the metabolic flux of carotenoids inside the pathway. Interestingly, a fine control of activity of enzyme might allow a fine control of the nature of the final carotenoid

Catharanthus roseus est une plante tropicale qui produit spécifiquement des alcaloïdes indoliques monoterpéniques (AIM) d’intérêt thérapeutique. Chez C. roseus, la branche terpénique incluant la voie du méthylérythritol phosphate (MEP) est considérée comme limitante et présente une régulation transcriptionnelle coordonnée en réponse aux hormones inductrices de l’accumulation alcaloïdique. Lors de ce travail, suite à des analyses bioinformatiques et à la caractérisation de promoteurs de gènes de la voie MEP, nous avons identifié de nouvelles familles de facteurs de transcription impliquées dans la régulation de la biosynthèse des AIM. Des membres de la famille des ZCT, des WRKY et des RR type B interagissent avec le promoteur du gène hds de la voie MEP et régulent son activité. Ces travaux ont permis d’approfondir les connaissances sur les réseaux transcriptionnels régulateurs de la biosynthèse des AIM. L’utilisation de ces nouveaux facteurs de transcription activateurs peut désormais être envisagée dans le cadre d’expériences d’ingénierie métabolique afin d’augmenter l’accumulation d’alcaloïdes d’intérêt pharmaceutique chez C. roseus. / Catharanthus roseus is a tropical plant producing specifically monoterpene indole alkaloids (MIA) of high interest due to their therapeutical values. In C. roseus cells, the terpenoid branch including the methyl erythritol phosphate pathway (MEP) provides the MIA terpenoid moiety and is regarded as limited for MIA biosynthesis. This branch presents a coordinated transcriptional regulation in response to hormonal signals leading to MIA production. In this context, bioinformatic analysises and functional characterization of MEP pathway gene promoters allowed the identification of new transcription factor families involved in the MIA pathway regulation. Members of ZCT proteins, WRKY and type B RR families specifically interact with the hds promoter from the MEP pathway and regulate its activity. This work permits to gain into insight the transcriptional network controlling the MIA biosynthesis. It is possible now to consider using transcription factor that act as activators and target genes from the terpenoid branch to increase the accumulation of alkaloids of pharmaceutical interest in C. roseus by metabolic engineering approaches.