Dans ces travaux des approches de génie génétique et métabolique ont été mises en œuvre pour augmenter la fourniture des précurseurs nécessaire à la biosynthèse d’un lipopeptide produit par Bacillus subtilis. Un réseau métabolique du métabolisme des acides aminés chez B. subtilis a d'abord été formalisé et modélisé par des outils bioinformatique. Puis, grâce à l’utilisation de la programmation par contrainte et à l’interprétation abstraite des interruptions de gènes ont été prédites dans ce réseau. Les prédictions se sont basées sur des gènes qui sont directement ou indirectement impliqués dans la régulation des gènes responsables de la biosynthèse de certains acides aminés ou dans le métabolisme central du carbone. Une stratégie de suppression de gènes sans l’utilisation de marqueur antibiotique (technique du Pop-in Pop-out) a été entreprise pour mener à bien ces multiples délétions dans une même souche et en évitant ainsi une limitation par les antibiotiques. Les résultats obtenus suite à la délétion de ces gènes ont montrés un impact différent sur la production du lipopeptide tant d’un point de vue quantitatif que qualitatif. Ce travail a établi que la limitation de la biosynthèse du lipopeptide par la fourniture en précurseur peut être surmontée en utilisant cette approche intégrée. / Genetic and metabolic engineering approaches were implemented to increase the precursor availability required for the biosynthesis of a lipopeptide produced by Bacillus subtilis. A metabolic network of amino acids metabolism in B. subtilis was first formalized through biocomputing tools. Then gene knock-out prediction was made using abstract interpretation and constraint solving. Predictions were based on genes which are directly or indirectly involved in the regulation of the genes involved in the biosynthesis of amino acid residues or in central carbon metabolism pathways. A markerless gene deletion strategy (Pop-in Pop-out technique) was adopted to carry out multiple deletions in a single strain and avoid antibiotic limitation. It was observed that the deletion of these genes have varied impact on lipopeptide production quantitatively and qualitatively. This work establishes that the precursor limitation problem of lipopeptide biosynthesis can be overcome by using this integrative approach.

Les lipopeptides font partie d’une classe remarquable de biosurfactants possédant une large gamme d'applications potentielles dans les produits cosmétiques. Ce sont des molécules amphiphiles connus pour être facilement biodégradable, avec des activités antimicrobiennes, exceptionnelles propriétés aux interfaces et activités biologiques qui encouragent leur utilisation par l'industrie cosmétique. La diversité structurelle des lipopeptides souligne l'importance d'étudier en profondeur leurs potentielles applications comme ingrédient cosmétique. Cette étude prospective propose la production de certains des lipopeptides dont les propriétés sont moins bien décrites, comme les fusaricidines et les amphisines. Par ailleurs, en se basant sur la surfactine comme molécule modèle, des outils de bioprocédés tels que la conception des plans d’expériences et les microbioreactors ont été mis en œuvre afin d'améliorer la production de lipopeptides dans les bioréacteurs. L’étude des propriétés fonctionnelles a confirmé que les propriétés physicochimiques remarquables des lipopeptides restent associées à une biocompatibilité élevée avec des structures de la peau, permettant de valider leur utilisation potentielle en cométique. Les modèles biologiques ont suggéré leurs applications très prometteuses pour influencer l’équilibre du microbiome de la peau, pour réduire la sécrétion des médiateurs pro-inflammatoires et pour induire une activité lipolytique. Les résultats obtenus ont démontré l'intérêt de déployer l'utilisation de lipopeptides dans les produits cosmétiques, non seulement comme une alternative à leurs homologues chimiques, mais comme des ingrédients cosmétiques multifonctionnels. / Lipopeptides are a remarkable class of biosurfactants with a wide range of potential applications in cosmetics. They are amphiphilic molecules known for being easily biodegradable and environmentally friendly. Antimicrobial activity, interfacial features and several biological activities are just some of the reasons encouraging their use by the cosmetic industry. The structural diversity of lipopeptides is as large as wide is the range of their possible uses as cosmetic ingredient, and outlines the importance of deeply exploring this field of research. In this context, this work proposed a prospective study of the production of certain lipopeptides whose properties are less extensively described, like fusaricidins and amphisins. Afterwards, using surfactin as model molecule, the use of bioprocess tools such as design of experiments and microbioreactors was investigated to enhance lipopeptides production by Bacillus and Pseudomonas species in membrane bioreactors. Thereafter, a comparative study of the functional and biological properties of lipopeptides was carried out using a wide range of techniques. They confirmed the remarkable physicochemical properties of lipopeptides were associated to a high biocompatibility with skin structures. Moreover, in vitro biological models suggested their promising application to influence skin microbiome equilibrium, to reduce proinflammatory mediators release and to induce lipolytic activity. The obtained results proved the interest of deploying the use of lipopeptides in cosmetic products, not only as alternative to chemical surfactant counterparts, but effectively as unique multifunctional cosmetic ingredients.

Les bioréacteurs à biofilm aéré par contacteur membranaire représentent un moyen de production alternatif aux bioréacteurs aérés par bullage. Ils sont, par exemple, utilisés pour éviter la formation abondante de mousse lors de la production de lipopeptides, molécules d’intérêt aux propriétés surfactantes produites notamment par Bacillus subtilis. La maîtrise du biofilm qui se forme à l’interface gaz-liquide dans la membrane représente la clé pour optimiser les paramètres de production et préparer une montée en échelle.Dans un premier temps, le transfert d’oxygène seul est étudié dans un bioréacteur aéré par membrane à fibre creuse microporeuse. Une analyse dimensionnelle a été couplée de façon innovante à un plan d’expériences fractionnaire, réduisant considérablement le nombre d’expérience pour obtenir une relation de procédés. Les performances de transfert d’oxygène sont modélisées en fonction du débit de liquide, du volume de liquide et de la pression de gaz. Dans un second temps, l’état physiologique du biofilm et la production de surfactine sont étudiés en régime continu. La présence d’un biofilm agit comme un accélérateur de transfert d’oxygène au lieu d’une résistance. Les variations de débit de liquide, de pression de gaz, de concentrations en glucose et en oxygène ont permis de déterminer le régime de limitation en substrats, apportés en contre-diffusion, tous deux révélés comme limitants. L’augmentation du débit de liquide permet une meilleure pénétration du glucose dans le biofilm sans en augmenter la taille. L’augmentation de la concentration en oxygène conduit aux meilleurs résultats de production de surfactine atteignant 1,2 g.m-2.h-1, niveau encore jamais atteint avec d’autres types de bioréacteurs. / Membrane aerated biofilm bioreactors are a convenient alternative production way to sparged bioreactors. They are, for example, used to avoid the important foam formation during lipopeptides production, molecule of interest with tensioactif properties produced among others by Bacillus subtilis. The control of the biofilm which grows at the gaz-liquid interface in the membrane represents the key to optimise production parameters and prepare the scale-up.First, only the oxygen transfer is studied in a bioreactor aerated by a microporous hollow fiber membrane. A dimensional analysis was coupled in an innovative way with a fractional design of experiments, reducing greatly the number of experiments to obtain a process relationship. Oxygen transfer performances are modelled in function of the liquid flow rate, the liquid volume and the gas pressure. Then, the biofilm physiological condition and the surfactin production are studied in continuous state. The biofilm presence acts as an oxygen transfer booster instead of a resistance. Variations of liquid flow rate, gaz pressure, glucose and oxygen concentrations enabled to determine the substrates limitation state, brought in counter-diffusion, both revealed limiting. The increase of the flow rate enables a better glucose penetration inside the biofilm without increasing his size. The increase in oxygen concentration leads to the best results in surfactin production reaching 1,2 g.m-2.h-1, level still never reached with other bioreactors types.

La souche de Bacillus subtilis ATCC 21332 produit deux familles de lipopeptides (les surfactines et les fengycines/plipastatines) qui présentent des propriétés biologiques d’intérêt. La productivité des procédés fermentaires en mode continu ou discontinu et leur extrapolation à grande échelle est limitée par des problèmes cinétiques et technologiques notamment par le transfert d’oxygène et la formation massive de mousse. Le travail réalisé porte sur la mise en œuvre d’un procédé innovant permettant la production de lipopeptides sans mousse et sur l’extraction des molécules à partir du milieu de fermentation. Après des travaux concernant l’amélioration de la production des lipopeptides par des cellules de B. subtilis immobilisées sur des supports solides, un bioréacteur à disques tournants permettant la production importante et sélective de lipopeptides a été mis en œuvre. Des concentrations de plus de 1 g L-1 de lipopeptides ont été obtenues lors des fermentations. Le transfert d’oxygène, facteur limitant primordial de ce métabolisme chez B. subtilis, a été étudié. Il a été fortement affecté par l’agitation pour toutes les configurations du bioréacteur étudiées. Pour des KLa se situant entre 0,001 et 0,003 s-1, le métabolisme est orienté vers la synthèse de fengycines qui représentent jusqu’à 80 % des lipopeptides synthétisés. La productivité en fengycine particulièrement intéressante et la simplicité de la mise en œuvre du bioréacteur permet d’envisager une extrapolation de la production à l’échelle industrielle. Simultanément à la production, des études concernant l’extraction des lipopeptides par pertraction dans un contacteur à disques tournants ont été entreprises. Les résultats obtenus sur l’extraction de la surfactine montrent le potentiel de cette technique séparative pour la récupération des lipopeptides à partir de leur milieu de fermentation. / Bacillus subtilis ATCC 21332 produces two families of lipopeptides (surfactins and fengycins/plipastatins) with different biological properties of interest. The productivity of fermentation process in batch or continuous conditions and bioreactors scale-up are limited by the problems of oxygen transfer limitation and foaming. This work presents a novel process of non-foaming production of lipopeptides in a rotating discs bioreactor and pertraction studies on the recovery of lipopeptides from fermentation broth. The improving production of lipopeptides by B. subtilis immobilized on solid supports enabled the implementation of an original bubbleless bioreactor for a selective production of lipopeptides. More than 1 g L-1 of lipopeptides was produced in this new rotating discs bioreactor. The oxygen transfer, a key factor for the metabolism of B. subtilis, was studied, also. In every studied configuration of bioreactor, the transfer of oxygen was strongly affected by the agitation conditions. At KLa in the range of 0.001-0.003 s-1, mainly fengycin was produced (up to 80% of total lipopeptides). The obtained high fengycin selectivity and the simplicity of the implementation of the rotating discs bioreactor suggest its potential scale-up. The extraction of lipopeptides by pertraction in a rotating discs contactor was studied, also. The obtained results on surfactin recovery by pertraction allow to consider this technique as suitable for lipopeptides extraction from fermentation broth.

Ce travail a pour objectif d’analyser la surproduction de fengycine par la souche de B. subtilis BBG 21, en comparant la synthèse à celle d’autres souches de Bacillus. BBG21 produisant également des surfactines, nous avons aussi analysé la co-production des lipopeptides dans cette souche. Le travail montre le rôle des promoteurs Pfen et Ppps dans la synthèse des fengycines. L’analyse de la séquence met en évidence 10 nucléotides manquants entre Ppps168 et PfenBBG21 et la modification d’un nucléotide de « l’UP element » entre BBG 21 et ATCC 21332. Dans un second temps, certaines conditions biotiques et abiotiques influençant l’expression du promoteur Pfen et la synthèse de fengycines et de surfactines ont été testées dans le dérivé BBG 208. Les sources de carbone orientent la synthèse vers une famille de lipopeptides alors que la plupart des sources d’azote permettent la cosynthèse à haut niveau des 2 molécules. Une forte expression du promoteur Pfen couplée à une synthèse importante de fengycines a été mise en évidence lorsque l’urée ou le mélange urée ammonium sont utilisés comme source d’azote et le mannitol comme source de carbone. Les conditions de température, de pH et d’oxygénation sont importantes pour la synthèse de fengycine et ces conditions sont spécifiques aux sources de carbone ou d’azote présentes dans le milieu. Enfin, nous avons étudié la synthèse des molécules chez des mutants surfactine - et pnp ase – issus de la souche Bs 168. Les résultats montrent que le régulateur srfAA affecte significativement la production de fengycines alors qu’il n’y pas action de srfAC. Chez les mutants pnpase - il y a une forte diminution des 2 lipopeptides. / This work aimed at analyzing the overproduction of fengycin in Bacillus subtilis BBG21 and then was compared to a set of Bacilli strains. As BBG21 also produces surfactin, we also studied coproduction of lipopeptides in this strain. The work highlighted the role the promotor Pfen and Ppps in the synthesis of fengicins. The analysis of sequences was unveiled 10 missing nucleotides between Ppps168 and PfenBBG21 and modification of one nucleotide of the UP element between strains BBG21 and 21332, respectively. Secondly, environmental conditions that might influence the promotor Pfen expression and synthesis of both lipopeptides were also tested in B. subtilis BBG 208. Thus, carbon sources appeared to direct synthesis of one family of lipopeptides, whilst most of nitrogen sources allowed high level of both lipopeptides co-synthesis. A strong expression of promotor Pfen and an important synthesis of fengycins were obtained with urea or urea ammonium mixture used as nitrogen source and with mannitol as carbon source. Temperature, pH and filling volume are important for fengycins synthesis and these conditions are carbon and nitrogen sources dependent. Finally we studied fengycins synthesis in surfactin and PNPase mutants derived from Bs 168. The result showed that srfAA regulator decreased fengycin synthesis whereas srfAC has not any affect. Notably, an important decrease in surfactin and fengycin was observed for PNPase mutant strains.

Le mouillage dʼun gel présente un intérêt fondamental pour la physique, lʼindustrie mais aussi en biologie: lors, par exemple, de la migration en masse de bactéries Bacilus Subtilis sur des milieux de culture gélosés où celle-ci synthétise un puissant tensioactif appelée surfactine. Un dispositif de reconstruction optique a été mis au point afin de suivre l'évolution de la surface libre d'une goutte posée à la surface d'un gel d'agar. Une goutte contenant de la surfactine s'étale spontanément. Lorsqu'elle entame sa rétraction, un front de surfactant apparaît tout autour de ses bords et se propage selon une dynamique de croissance radiale en loi de puissance du temps. Nous obtenons des exposants d'étalement remarqueblement faibles. Des scénarios expliquant cette dynamique lente sont proposés. Cette dynamique présente une dépendance vis à vis de la concentration du gel en polymères mais aussi vis à vis de la physico-chimie du milieu employé, montrant ainsi le caractère non-universel de cet exposant pour des gels aux propriétés mécaniques identiques. Nous discutons des similitudes entre nos observations et le swarming de B.Subtilis, pour lequel la dynamique du front et la croissance dendritique semblent fortement corrélées. Etonnamment, nous observons une situation de mouillage partiel dans le cas d'une goutte d'eau déposée à la surface d'un gel qui est pourtant constitué jusqu'à 99,5% du même liquide. Nous mesurons une hystérésis de mouillage importante partiellement lié au caractère déformable.du substrat Les modèles existants échouent à décrire nos mesures, nous proposons un modèle tenant compte de la tension de surface du gel qui prédit mieux nos observations.