Le but de ce travail de doctorat est de contribuer à l'optimisation de l'accumulation de lipides par les levures oléagineuses, et plus particulièrement par la levure Yarrowia lipolytica à partir du glucose, avec une stratégie d’optimisation dynamique à partir d’une commande basée sur un modèle. L’étude bibliographique permet de faire le bilan des connaissances antérieures pour identifier les différentes méthodologies existantes pour l’optimisation des procédés en structurant trois parties principales: la modélisation, la commande, et le suivi des procédés. Dans ce contexte, cinq modèles ont été proposés pour décrire l'accumulation de lipides. Le premier est un modèle non structuré basé sur des cinétiques de Monod et d’inhibition. Le deuxième s’appuie sur le modèle de Droop (quota) précédemment utilisé pour décrire l’accumulation de lipides dans les microalgues. Les trois derniers sont des modèles métaboliques dynamiques qui combinent les cinétiques avec un réseau métabolique réduit, obtenu à partir des modes élémentaires. Les cinq modèles ont été calibrés et validés en utilisant plusieurs jeux des données expérimentales. Néanmoins, un des avantages des modèles métaboliques dynamiques présentés est la possibilité de décrire les basculements métaboliques. Deux stratégies de commande multi-objective visant à maximiser la productivité des lipides et la fraction en teneur lipidique ont été proposées. Dans la première, les deux objectifs ont été pondérés par le calcul statique des fronts de Pareto, et intégrés à la stratégie de commande avec un modèle dynamique métabolique. La deuxième stratégie est basée sur des fonctions linéaires par morceaux en intégrant le modèle quota. Les simulations de la commande montrent la possibilité d’atteindre des teneurs en lipides entre 0,21 – 0,26 gLIP.gX-1 et productivités entre 0,78 – 1,02 g.(L-h)-1 en diminuant le temps de la culture à 20 h. Des capteurs logiciels ont été proposés afin de pallier le manque de capteurs en ligne en corrélant des mesures en ligne (i.e. pO2 et la base ajoutée pour le pH) par des algorithmes de types machines à vecteurs supports. La validation expérimentale des stratégies de commande est la principale perspective de ce travail. / This PhD thesis aims at optimizing lipid accumulation by oleaginous yeast, and most particularly by the yeast Yarrowia lipolytica from glucose. This optimization is addressed from a mathemantical point of view based on automatic control laws, where model-based control strategies are proposed. The bibliographic review compiles and evaluates previous works to identify the different existing methodologies to attain the optimization, which is divided in three main axes: modeling, control strategies, and monitoring. In this context, five different models are proposed to describe lipid accumulation. The first model is based on Monod and inhibition kinetics (unstructured), and the second on the Droop quota model (quota) previously used for microalgae. The last three are dynamic metabolic models that combine kinetics with metabolic models based on the stoichiometry of metabolism. These three models used a reduced metabolic network decomposed into elementary flux modes. The five models were successfully calibrated and validated with different experimental data. Nonetheless, the dynamic metabolic models presented highlighting features such as the description of metabolic shifts. Two approaches of multi-objective control strategies aiming at maximizing lipid productivity and lipid content fraction were proposed. In the first, the two objectives were weighted by static calculation of Pareto fronts, and integrated to the control strategy by dynamic optimization algorithms with a dynamic metabolic model. The second strategy used a constant weighed objective function solved by piecewise linear functions by integrating the quota model. The simulation results of the optimization attained lipid contents between 0.21 – 0.26 gLIP.gX-1 and productivities between 0.78 – 1.02 g.(L-h)-1 shortening the culture time to 20 h. Soft-sensors were developed by correlating on-line measurements (i.e. pO2 and the added base for pH) through support vector machines in order to overcome the lack of measurements. The perspective is to experimentally validate the control strategies.

En raison des capacités de mélange limitantes, des hétérogénéités au sein des bioréacteurs se produisent régulièrement lors de l’extrapolation à l’échelle industrielle. En conséquence, les microorganismes circulant au sein de ces bioréacteurs sont continuellement exposés à des gradients locaux au niveau des paramètres fondamentaux du procédé tel que le pH, la température, la concentration en substrat et en oxygène dissous. Ces fluctuations micro-environnementales peuvent affecter la croissance, le métabolisme et la morphologie des cellules, en fonction de la nature, de l’intensité, de la durée et/ou de la fréquence de la perturbation rencontrée. L’objectif de ce travail est l’étude quantitative de l’impact des fluctuations de pH et d’oxygène dissous sur le comportement dynamique de Yarrowia lipolytica, une levure avec un potentiel biotechnologique prometteur, aussi bien aux niveaux morphologique que métabolique. Pour répondre à cet objectif, des cultures en bioréacteur en conditions d’environnement contrôlé ont été mises en œuvre afin d’établir un lien de causalité directe entre la perturbation et la réponse observée. L’implémentation de deux modes de cultures différents (batch et chemostat) a permis de caractériser le comportement dynamique des populations cellulaires dans des états physiologiques différents: En mode continu, toutes les cellules sont dans le même état physiologique et se multiplient à la même vitesse de croissance, tandis que des sous-populations de levures dans des états physiologiques distincts peuvent cohabiter dans les cultures en mode batch. Un effort important a été consacré au développement et validation des méthodes pour une quantification rigoureuse des évolutions morphologiques de Y. lipolytica à l’échelle de la population. Le comportement macroscopique de la levure a été caractérisé par l’évaluation des dynamiques de croissance, la viabilité, les vitesses de consommation du glucose et d’oxygène, ainsi que les vitesses de production d’acide organique et de dioxyde de carbone. Trois techniques, à savoir la cytométrie en flux (CYT), la morpho-granulométrie (MG) et la diffraction dynamique de la lumière (DLS) ont été employé pour la quantification du phénomène d’élongation. Les résultats obtenus démontrent qu’il n’y a pas d’effet significatif des fluctuations de pH et d’oxygène dissous sur le comportement macroscopique (vitesses spécifiques, rendements, viabilité) de la levure. Néanmoins, une transition micellaire a été induite en réponse aux deux facteurs de stress (pH and pO2) seulement en conditions d’excès de glucose, suggérant ainsi un impact de la concentration résiduelle de glucose sur la régulation de dimorphisme chez Y. lipolytica. Le contrôle et la régulation de la concentration de glucose dans le milieu peut contribuer à une meilleure maitrise des changements morphologiques de Y. lipolytica en réponse à des stimuli de l’environnement. / Due to limited mixing capacities, heterogeneities regularly occur when scaling-up bioreactors for large-scale production. Microbial cultures are continuously exposed to local gradients in fundamental process parameters such as substrate, pH, temperature and dissolved oxygen DO concentration. These micro-environmental fluctuations may have detrimental effects on cellular growth, metabolism and morphology, depending on the nature, intensity, duration and/or frequency of the fluctuations encountered. The aim of this study was to investigate the impact of pH and DO fluctuations on the dynamic behavior of Yarrowia lipolytica, a microorganism with a promising biotechnological potential, at both morphological and metabolic levels. For this purpose, batch and continuous cultivations modes were preferentially adopted, as it enabled respectively, the study of the stress response of yeast populations growing at their maximum specific rate, and at various controlled specific growth rates in physiological steady-states. In addition, an important effort was devoted to the development and validation of morphological methods in order to acquire quantitative characterization of the response dynamics at the population scale. The macroscopic behavior of Y. lipolytica was assessed through examining the patterns of growth, viability, glucose uptake, oxygen consumption, organic acid and carbon dioxide production rates. Changes in the yeast morphology were characterized at the cell population level by means of flow cytometry, morphogranulometry and diffraction light scattering techniques. The results reflected no significant effect of pH and DO fluctuations on the macroscopic behavior (specific rates, yields, viability) of the yeast. Nevertheless, mycelial growth was induced upon exposure to both stressors, only in glucose-excess environments, suggesting therefore an impact of glucose levels on the regulation of dimorphic transition in Y. lipolytica. Controlling residual glucose concentrations in Y. lipolytica fermentations may contribute to a better monitoring of its morphological changes in response to environmental stimuli. Such data would help to optimize bioprocess performances at the industrial scale since it alleviates physico-chemical impacts due to filamentous cells.

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.

Succinat und ihre Derivate werden in vielfältiger Weise in den Bereichen Tenside, Lebensmittel, Pharmazeutika und Polymere angewendet. Aufgrund der derzeit kostenintensiven petrochemischen Synthese ist die aerobe nicht-konventionelle Hefe Yarrowia (Y.) lipolytica für die biotechnologische Succinatsynthese von großem Interesse. In der vorliegenden Arbeit wurde das Potential dieser Hefe für eine industrielle Succinatproduktion unter Betrachtung des Einflusses der enzymatischen Aktivitäten von Succinyl-CoA Synthetase und Pyruvat-Carboxylase auf die Succinatsynthese untersucht. Es wurde eine Steigerung der Succinatausbeute um 40 % durch die Erhöhung der Pyruvat-Carboxylase Aktivität um den Faktor 7-8 gemeinsam mit der Deletion des Gens der β Untereinheit der Succinyl-CoA Synthetase im genetisch veränderten Y. lipolytica Stamm H222-AK10 (mcPYC Δscs2) erzielt. Unter Verwendung von Glycerol als C-Quelle wurde eine Erhöhung der Succinatbildung der Transformande H222 AK10 im Vergleich zum Wildtyp von 5,1 ± 0,7 g/l auf 8,7 ± 1,6 g/l nachgewiesen. Die Raum-Zeit-Ausbeute dieses Hefestammes verdoppelte sich von 11,9 ± 1,3 mg/l*h auf 21,9 ± 2,5 mg/l*h. Eine Erhöhung der Sekretion organischer Säuren gelang hingegen nicht durch den alleinigen Verlust der Succinyl-CoA Synthetase Aktivität in den Stämmen H222-AK4 (scs1::URA3), H222-AK8 (scs2:.URA3) und H222-AK9 (scs1::URA3 Δscs2) oder durch die alleinige Aktivitätserhöhung der Pyruvat-Carboxylase in H222-AK1 (mcPYC). Des Weiteren wurde ein Y. lipolytica Stamm erzeugt, der durch die Überexpression der für die Succinyl-CoA Synthetase kodierenden Gene SCS1 und SCS2 charakterisiert ist. Die Transformande H222 AK2 (mcSCS1 mcSCS2) bildete unter den gleichen Kultivierungsbedingungen durchschnittlich 2 g/l weniger Succinat als der Wildtyp (5,1 ± 0,7 g/l). Auch die zusätzliche Erhöhung der Pyruvat-Carboxylase Aktivität um den Faktor 4 in der Transformande H222 AK3 (mcPYC mcSCS1 mcSCS2) konnte den negativen Effekt der erhöhten Gen-Dosen von SCS1 und SCS2 auf die Succinatsynthese nicht aufheben. Dementsprechend wurden für H222-AK3 eine Succinatausbeute von 3,1 ± 0,3 g/l bestimmt.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis VI Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XI 1. Einleitung 1 1.1. Bernsteinsäure, Succinat 1 1.2. Succinat als Zwischenprodukt des Tricarbonsäurezyklus 3 1.2.1. Die Enzyme des TCC in Saccharomyces cerevisiae 5 1.2.2. Succinatbildung im TCC durch die Succinyl-CoA Synthetase 6 1.2.3. Pyruvat-Carboxylase 7 1.3. Succinat als Endprodukt des Glyoxylatzyklus 9 1.4. Biotechnologische Herstellung von Succinat 10 1.4.1. Succinatproduktion mit Actinobacillus succinogenes und Anaerobiospirillum succiniproducens 11 1.4.2. Succinatproduktion mit Corynebacterium glutamicum 12 1.4.3. Succinatproduktion mit Escherichia coli 12 1.4.4. Yarrowia lipolytica als potentieller Succinatproduzent 15 1.5. Yarrowia lipolytica 15 1.6. Zielstellung 18 2. Material und Methoden 20 2.1. Geräte 20 2.2. Chemikalien, Biochemikalien und Nukleinsäuren 21 2.2.1. Feinchemikalien 21 2.2.2. Enzyme 22 2.2.3. Verbrauchsmaterialien und Kitsysteme 23 2.3. Verwendete Plasmide 23 2.4. Konstruierte Plasmide 24 2.5. Oligonukleotide 25 2.6. Mikroorganismen 26 2.6.1. Escherichia coli 26 2.6.2. Yarrowia lipolytica 27 2.7. Kultivierung 27 2.7.1. Kultivierung von Escherichia coli 27 2.7.2. Kultivierung von Yarrowia lipolytica 28 2.8. Gentechnische Methoden 29 2.8.1. Genomische DNA-Isolierung 29 2.8.2. Agarose-Gelelektrophorese 29 2.8.3. Polymerase Kettenreaktion 30 2.8.4. Verdau der DNA mit Restriktionsendonukleasen 31 2.8.5. DNA-Aufreinigung 31 2.8.6. Plasmidisolierung aus Escherichia coli 31 2.8.7. Dephosphorylierung 31 2.8.8. Ligation 32 2.8.9. Transformation elektrokompetenter Escherichia coli Zellen 32 2.9. Plasmidkonstruktion 33 2.9.1. Konstruktion der Expressionskassette für die Überexpression des Pyruvat-Carboxylase kodierenden Gens 33 2.9.2. Konstruktion der Expressionskassetten für die Überexpression der Gene der α- und β-Untereinheit der Succinyl-CoA Synthetase 34 2.9.3. Konstruktion der Deletionskassette des für die α-Untereinheit der Succinyl-CoA Synthetase kodierenden Gens 35 2.9.4. Konstruktion der Deletionskassette des für die β-Untereinheit der Succinyl CoA Synthetase kodierenden Gens 36 2.9.5. Sequenzierung konstruierter Plasmide 36 2.10. Transformation von Yarrowia lipolytica Zellen 37 2.10.1. Transformation von Yarrowia lipolytica mittels der LiAc-Methode 37 2.10.1.1. Herstellung chemisch kompetenter Yarrowia lipolytica Zellen 37 2.10.1.2. Transformation chemisch kompetenter Hefezellen 37 2.10.2. Herstellung elektrokompetenter Yarrowia lipolytica Zellen 38 2.10.3. Elektrotransformation von Yarrowia lipolytica 38 2.11. Southern Blot 39 2.11.1. Transfer der DNA auf eine Nylonmembran 39 2.11.2. Sondenherstellung 39 2.11.3. Immunologische Detektion 40 2.11.4. Strippen der Southern Blot Membran 40 2.12. Biochemische Methoden 41 2.12.1. Ernte und Aufschluss der Hefezellen 41 2.12.2. Aktivitätsbestimmung der Citrat-Synthase 41 2.12.3. Aktivitätsbestimmung der Aconitase 41 2.12.4. Aktivitätsbestimmung der NADP-abhängige Isocitrat-Dehydrogenase 42 2.12.5. Aktivitätsbestimmung der NAD-abhängige Isocitrat-Dehydrogenase 42 2.12.6. Aktivitätsbestimmung der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase 43 2.12.7. Aktivitätsbestimmung der Succinyl-CoA Synthetase 43 2.12.8. Enzymatische Mitochondrienpräparation 46 2.12.9. Aktivitätsbestimmung der Succinat-Dehydrogenase 47 2.12.10. Aktivitätsbestimmung der Fumarase 47 2.12.11. Aktivitätsbestimmung der Malat-Dehydrogenase 48 2.12.12. Aktivitätsbestimmung der Isocitrat-Lyase 48 2.12.13. Aktivitätsbestimmung der Pyruvat-Carboxylase 48 2.12.14. Proteinbestimmung 49 2.13. Mikroskopische Bestimmung der Zellmorphologie 49 2.14. Kultivierung 49 2.14.1. Bestimmung der optischen Dichte 50 2.14.2. Animpfen der Hauptkultur 50 2.14.3. Succinatproduktionsmedium 50 2.14.4. Kultivierung unter Thiaminlimitation 51 2.14.5. Kultivierung unter Stickstofflimitation 52 2.14.6. Bestimmung organischer Säuren mittels Ionenchromatographie 52 2.15. Bioinformatik 53 3. Ergebnisse 54 3.1. Überexpression des Pyruvat-Carboxylase kodierenden Gens 54 3.2. Überexpression der Succinyl-CoA Synthetase kodierenden Gene 58 3.2.1. Bestimmung der Succinyl-CoA Synthetase Enzymaktivität 61 3.2.2. Bestimmung der spezifischen Aktivität weiterer Enzyme 61 3.3. Überexpression der für die Pyruvat-Carboxylase und Succinyl-CoA Synthetase kodierenden Gene 63 3.3.1. Bestimmung der spezifischen Aktivitäten der Enzyme des TCC und der PYC sowie der ICL 66 3.4. Deletion der Succinyl-CoA Synthetase Gene 68 3.4.1. Bestimmung der Succinyl-CoA Synthetase Enzymaktivität 72 3.4.2. Bestimmung weiterer spezifischer Enzymaktivitäten 73 3.5. Überexpression des Gens der Pyruvat-Carboxylase gemeinsam mit der Deletion des Gens für die β Untereinheit der Succinyl-CoA Synthetase 74 3.5.1. Bestimmung der spezifischen Aktivitäten von Enzymen des TCC, sowie der PYC und ICL 76 3.6. Morphologische Veränderungen der Transformanden 78 3.7. Produktion organischer Säuren im Succinatproduktionsmedium 80 3.9.1 Bestimmung der PYC-, ICL- und SDH-Aktivitäten während der Kultivierung im Succinatproduktionsmedium 87 3.8. α-Ketoglutarat-, Pyruvat- und Fumaratproduktion unter Thiaminlimitation 90 3.9. Citrat- und Isocitratproduktion unter Stickstofflimitation 96 4. Diskussion 100 4.1. Auswahl einer geeigneten C-Quelle für die Succinatproduktion 101 4.2. Reduktion der Succinatproduktion von Yarrowia lipolytica 102 4.3. Genetische Veränderungen, für die kein Einfluss auf die Succinatproduktion von Yarrowia lipolytica nachgewiesen wurde 106 4.3.1. Überexpression des Pyruvat-Carboxylase kodierenden Gens 107 4.3.2. Deletion der Succinyl-CoA Synthetase Gene 108 4.4. Erhöhung der Succinatproduktion von Yarrowia lipolytica 112 4.5. Auswirkungen auf die Produktion anderer organischer Säuren 119 4.5.1. α-Ketoglutarat-, Pyruvat- und Fumaratproduktion unter Thiaminlimitation 119 4.5.2. Citrat- und Isocitratproduktion unter Stickstofflimitation 121 4.6. Morphologische Veränderungen 122 4.6.1. Koloniemorphologie 122 4.6.2. Zellmorphologie 124 Literaturverzeichnis 126

L’objectif de ce projet de thèse est d’étudier et caractériser les mécanismes impliqués dans la bascule respiro-fermentaire chez des cellules eucaryotes dotées d’un métabolisme mitochondrial. Les cellules eucaryotes ont des besoins différents en oxygène pour la production d’énergie et leur survie dans un environnement donnée. Elles sont qualifiées de type aérobie stricte lorsque la présence d’oxygène leur est nécessaire ou aéro-anaérobie facultatif dans le cas où l’oxygène n’est pas indispensable à la production d’énergie. La levure Yarrowia lipolytica a été choisie comme modèle d’étude de par sa particularité à être un micro-organisme aérobie strict avec une grande capacité d’accumuler de lipides et de production d’acides organiques. Les études expérimentales et analytiques, par l’emploi de méthodes mathématiques de modélisation du métabolisme, ont permis d’identifier des contraintes métaboliques impliquées dans la transition respiro-fermentaire chez cette levure au métabolisme énergétique oxydatif. La production de l’acide citrique par Y. lipolytica, déjà rapportée dans la littérature, a été choisi comme un marqueur de cette transition respiro-fermentaire. Nous avons découvert que l’inhibition de la protéine oxydase alternative (AOX), impliquée dans la respiration mitochondriale, par la molécule n-propyl gallate (nPG) permet d’améliorer le rendement de production d’acide citrique par fermentation du glucose dans une culture de Y. lipolytica. Ces résultats montrent que la nPG, déjà utilisée dans l’industrie agro-alimentaire et pharmaceutique en tant que conservateur joue sur la bascule respiro-fermentaire par inhibition de la consommation d’oxygène et stimule ainsi la production d’acide citrique. La modélisation du réseau métabolique de Y. lipolytica, décrit à l’échelle du genome, par dynamic Flux Balance Analysis (dFBA) a permis d’identifier l’accumulation des espèces oxydantes dites ROS (Reactive Oxygen Species) comme un levier majeur de la bascule respiro-fermentaire et donc de la production d’acide citrique chez la levure Y. lipolytica. De plus, nos résultats préliminaires montrent que l’oxydation des lipides accumulés par Y. lipolytica pourrait être à l’origine de la génération des ROS. Cette étude doit être approfondie expérimentalement et constitue un apport important pour l’industrie agro-alimentaire et pharmaceutique.Mots clés : Bascule respiro-fermentaire, Acide citrique, lipides, Yarrowia lipolytica, n-propyl gallate, Reactive Oxygen Species, modélisation, dynamic Flux Balance Analysis / The main goal of this thesis project is to study and characterize mechanisms involved in respiratory to fermentative shift in eukaryotic cells endowed with mitochondrial metabolism. Eukaryotic cells have different oxygen requirements for energy production and survival in a given environment. They are described as strict aerobic when the presence of oxygen is necessary or optional aero-anaerobic in when oxygen is not essential for energy production. The yeast Yarrowia lipolytica was chosen as our study model thanks to its particularity since it is a strict aerobic microorganism with a high capacity to accumulate lipids and to produce organic acids. Experimental and analytical studies, using mathematical methods for modeling cell metabolism, allowed us to identify metabolic constraints involved in respiratory to fermentative transition in this yeast showing oxidative energy metabolism. Production of citric acid by Y. lipolytica, already reported in the literature, has been chosen as a marker for this in respiratory to fermentative shift. We found that the inhibition of the alternative oxidase protein (AOX) involved in mitochondrial respiration, by adding n-Propyl gallate (nPG) molecule improves the yield of citric acid production by fermentation of glucose in a Y. lipolytica culture. These results show that nPG, already used in food and pharmaceutical industry as a preservative, plays on respiratory to fermentative balance by inhibition of oxygen consumption and thus stimulates the production of citric acid. Modeling of the metabolic network of Y. lipolytica, described at genome-scale, by dynamic Flux Balance Analysis (FBA) has identified the accumulation of intracellular ROS (Reactive Oxygen Species) species as major levers for respiratory to fermentative shift and therefore the production of citric acid by Y. lipolytica. Therefore, our preliminary results show that oxidation of lipids accumulated by Y. lipolytica could be involved in generation of ROS species. This study must be experimentally deepened and constitutes an important contribution for the agri-food and pharmaceutical industry.Key words: Respiratory to fermentative shift, Citric acid, lipids, Yarrowia lipolytica, n-Propyl gallate, Reactive Oxygen Species, modeling, dynamic Flux Balance Analysis

Thesis (MScEng (Process Engineering))--University of Stellenbosch, 2009. / The abundance of alkane by-products formed in South Africa presents a feedstock opportunity for the production of a wide range of commercially important products, such as long-chain dioic acids and alcohols. These compounds are formed as intermediates through the biological conversion of alkanes, a route which is particularly attractive when compared with chemical conversion due to its operation under milder process conditions. Furthermore, advances in genetic manipulation, which enable the accumulation of a range of metabolic intermediates, make the biological route remarkably flexible. From the literature review Yarrowia lipolytica was identified as a promising organism for use in studying alkane bioconversion because of its ability to produce large quantities of fatty acids when grown on n-paraffins as a sole carbon source. The bioconversion of alkanes will not only depend on the genetic modification but also on the process conditions to maximise growth and bioconversion. The overall objective of this project was therefore to investigate the potential of Y. lipolytica for alkane bioconversion by defining the conditions that maximise both cell growth and bioconversion. The Y. lipolytica strains supplied (TVN348, TVN493 and WT), however, were not yet modified to the extent that accumulation of metabolic intermediates was possible. Use was therefore made of a model system in which the alkane substrate was substituted with an even chain alkylbenzene. Since Y. lipolytica is unable to metabolise the benzene ring, the alkylbenzene is converted to the metabolic intermediate, phenyl acetic acid (PAA), and the potential for bioconversion assessed through measuring the accumulation of PAA. The specific objectives of the project were therefore 1) to define and quantify the parameters for the establishment of an effective model system in shake flasks with respect to trace elements, buffering, added nitrogen, oxygen supply, glucose concentration, alkylbenzene substrate and inducer requirements 2) to use the defined model system to identify the most promising strain of Y. lipolytica TVN348, TVN493 and WT 3) to use the defined model system and selected strain for evaluation of the influence of time of substrate addition and glucose concentration on cell growth and bioconversion of Y. lipolytica under controlled conditions in an instrumented bioreactor Furthermore, since poor reproducibility in cell growth and bioconversion had been prevalent in previous studies, it was also aimed to identify and statistically quantify the reproducibility between duplicate or triplicate samples in each experiment and between sets of different experiments with respect to PAA formation and cell concentrations. Studies were conducted in shake flask cultures to define and quantify the parameters for the model system. The parameters assessed included trace elements, buffering, nitrogen concentration, oxygen supply, glucose concentration, alkylbenzene substrate type and possible inducer requirements. Trace elements, phosphate buffering and added nitrogen did not significantly affect the cell growth of Y. lipolytica TVN348. The cell concentration of Y. lipolytica TVN348 and TVN493 was increased by 65% and 43% respectively for an increase in oxygen supply by decreasing the working volume from 150ml to 50ml, while the cell concentration of Y. lipolytica WT was increased by 41% when oxygen supply was increased by switching from non-baffled to baffled flasks in 50ml cultures. Bioconversion was also increased for an increase in oxygen supply: 2.4mM to 29.0mM PAA (Y. lipolytica TVN348) and 1.2mM to 21.7mM PAA (Y. lipolytica TVN493) for a decrease in working volume; 10.5mM to 46.6mM PAA (Y. lipolytica WT) when switching from non-baffled to baffled flasks. These results indicated that adequate oxygen supply is crucial to both growth and bioconversion, and that further study should be conducted in 50ml working volumes. Cell concentrations obtained in 1.6% (wt/v) and 3.2% (wt/v) glucose cultures (3.95x108cells/ml and 4.03x108cells/ml respectively) indicated that cell growth was neither enhanced nor inhibited by 3.2% (wt/v) glucose. Of the range of substrates examined (propylbenzene, butylbenzene, sec-butylbenzene, hexylbenzene, ethyltoluene and tert-butyltoluene for Y. lipolytica TVN348 and TVN493; octylbenzene and decylbenzene for Y. lipolytica WT), hexylbenzene was regarded as the best substrate for bioconversion (14.7mM and 14.1mM PAA for TVN348 and TVN493 respectively; 42.6mM PAA for WT). Lastly, the absence of a requirement for an additional inducer such as ethanol or oleic acid was confirmed when PAA was formed from hexylbenzene in the culture containing additional glucose (25.0mM). This suggested that when using hexylbenzene as substrate, bioconversion was induced provided sufficient glucose was available for cell maintenance. Results from duplicate or triplicate flasks in each individual shake flask experiment were reproducible and conclusions were based solely on results which showed 95% confidence intervals. However, reproducibility problems were experienced with results between different sets of experiments carried out under the same conditions. The model system was therefore defined by: 1) no addition of trace elements, additional buffering or added nitrogen, 2) cultures grown in 50ml volumes to supply an adequate amount of oxygen crucial for growth and bioconversion, 3) 3.2% (wt/v) glucose and 4) addition of 1% (v/v) hexylbenzene at 24h with no inducer requirements. Use of the model system in shake flask cultures to identify the most promising of the three strains of Y. lipolytica supplied demonstrated that there was no significant difference in cell growth or bioconversion between these strains. Y. lipolytica WT (which has no genetic modifications) was therefore used for further investigation until an appropriate strain could be substituted when it became available. The growth and bioconversion of Y. lipolytica WT was further investigated under controlled conditions in a bioreactor. The influence of time of substrate addition (11h, 24h, 48h) and glucose concentration (3.2% and 6.4% (wt/v)) on growth and bioconversion was examined. When hexylbenzene was added at 48h, cell growth was increased (8.90x108cells/ml) when compared to two of the triplicate cultures with hexylbenzene addition at 24h (4.74x108cells/ml and 3.92x108cells/ml) and the culture with hexylbenzene addition at 11h (2.82x108cells/ml). The third of the triplicate cultures with hexylbenzene addition at 24h, on the other hand, exhibited the strongest growth (2.23x109cells/ml). The poor reproducibility between the triplicate cultures with hexylbenzene addition as 24h made it difficult to determine whether hexylbenzene addition at 24h or 48h maximised cell growth. Furthermore, the cell growth was not significantly improved when the glucose concentration was increased from 3.2% (wt/v) to 6.4% (wt/v) (7.47x108cells/ml for 6.4% glucose culture), however it was also not inhibited. The highest amount of specific PAA formed by Y. lipolytica WT was found when hexylbenzene was added at 11h (7.4x10-11mmol PAA/cell), however the highest accumulated PAA was produced in the culture that exhibited the strongest growth with hexylbenzene addition at 24h (41.4mM). This suggested that the bioconversion of hexylbenzene was maximised when it was added during the active growth phase. It is therefore recommended to conduct fed-batch experiments in future to maintain the active growth phase. Accumulated PAA was increased in 6.4% (wt/v) glucose culture (15.2mM PAA) when compared with two of the 3.2% (wt/v) glucose cultures (5.4mM and 4.3mM PAA). These results indicated that the increased glucose concentration did not inhibit the bioconversion. Furthermore, PAA was formed when 5% (wt/v) residual glucose was observed in the culture, suggesting that the bioconversion of hexylbenzene was not inhibited at glucose concentrations as high as 5.0% (wt/v). If future work were to be conducted in bioreactor culture where glucose is added in fed-batch operation, glucose concentrations in cultures of up to 5% (wt/v) could be considered for initial studies. During bioconversion by Y. lipolytica, the PAA measured after hexylbenzene exhaustion did not, however, correspond to 100% conversion. Further, poor reproducibility was found in the bioreactor cultures. The disappearance of hexylbenzene without a corresponding accumulation of PAA and poor reproducibility was investigated by determining whether PAA was further degraded or alternatively, whether other metabolic intermediates were being formed and accumulated from the hexylbenzene. However, substitution of the hexylbenzene with PAA as substrate confirmed that PAA could not be metabolised. Further, NMR analyses of both the aqueous and organic phases of the culture did not identify any additional metabolic intermediates. It is recommended that additional analyses be conducted on the aqueous and organic phases to further assess the possible accumulation of intermediates. The development of the model system in shake flask cultures demonstrated the importance of adequate oxygen supply for both cell growth and bioconversion. It was also shown that no inducer was needed because hexylbenzene acted as its own substrate inducer. Furthermore, comparison of Y. lipolytica strains TVN348, TVN493 and WT under the defined conditions of the model system revealed that the genetically modified strains (TVN348, TVN493) did not exhibit enhanced bioconversion. Bioreactor cultures using the model system under controlled conditions further showed that bioconversion was not inhibited at a 5% (wt/v) residual glucose concentration and suggested that bioconversion was maximised when hexylbenzene was added during active growth phase. This informs on future work, suggesting fed-batch operation in order to extend the active growth phase, where glucose concentrations in the bioreactor of up to 5% (wt/v) can be considered.

Chez les espèces végétales soumises à dessiccation, les réserves lipidiques des graines sont stockées sous forme de globules, les oléosomes. Ces oléosomes sont composés d'un cœur de triglycérides (TGs), entouré d'une monocouche de phospholipides (PLs) dans laquelle s'insèrent de petites protéines, majoritairement des oléosines. Ces protéines sont constituées de trois domaines : N- et C-terminaux amphiphiles et un segment central hydrophobe de 72 acides aminés très conservé. Les oléosines sont certainement des protéines de structure et par leur présence, les oléosomes ne coalescent pas, même lors de la re-imbibition de la graine au moment de la germination. Bien que les levures présentent des organites de stockage similaires à ceux des végétaux, leur pool protéique est très différent. Nous avons cloné et exprimé deux isoformes d'oléosines d'A. thaliana dans E. coli et dans Y. lipolytica. Les oléosines exprimées chez la levure sont bien dirigées vers le corps lipidique. Par ailleurs, les oléosines exprimées chez la bactérie ont été purifiées à l'homogénéité en conditions dénaturantes. Par des études in silico et in vitro d'oléosine, nous postulons que le segment hydrophobe est organisé en hélices α. Des études de tension de surface ont montré que les oléosines recombinantes purifiées pouvaient s'insérer à des interfaces eau / huile et qu'elles en abaissaient fortement la tension de surface (ceci mieux que des caséines β). Elles peuvent aussi s'insérer dans des monocouches de PLs situées à l'interface eau / air. Les oléosines des végétaux présentent donc bien des caractéristiques d'émulsifiant huile dans eau.

Chez les espèces végétales soumises à dessiccation, les réserves lipidiques des graines sont stockées sous forme de globules, les oléosomes. Ces oléosomes sont composés d'un cœur de triglycérides (TGs), entouré d'une monocouche de phospholipides (PLs) dans laquelle s'insèrent de petites protéines, majoritairement des oléosines. Ces protéines sont constituées de trois domaines: N- et C-terminaux amphiphiles et un segment central hydrophobe de 72 acides aminés très conservé. Les oléosines sont certainement des protéines de structure et par leur présence, les oléosomes ne coalescent pas, même lors de la re-imbibition de la graine au moment de la germination. Bien que les levures présentent des organites de stockage similaires à ceux des végétaux, leur pool protéique est très différent. Nous avons cloné et exprimé deux isoformes d'oléosines d'A. thaliana dans E. coli et dans Y. lipolytica. Les oléosines exprimées chez la levure sont bien dirigées vers le corps lipidique. Par ailleurs, les oléosines exprimées chez la bactérie ont été purifiées à l'homogénéité en conditions dénaturantes. Par des études in silico et in vitro d'oléosine, nous postulons que le segment hydrophobe est organisé en hélices α. Des études de tension de surface ont montré que les oléosines recombinantes purifiées pouvaient s'insérer à des interfaces eau / huile et qu'elles en abaissaient fortement la tension de surface (ceci mieux que des caséines β). Elles peuvent aussi s'insérer dans des monocouches de PLs situées à l'interface eau / air. Les oléosines des végétaux présentent donc bien des caractéristiques d'émulsifiant huile dans eau.

La compréhension des organismes vivant a été une quête pendant longtemps. Depuis les premiers progrès des derniers siècles, nous sommes arrivés jusqu'au point où des quantités massives de données et d'information sont constamment générées. Bien que, jusqu'au present la plupart du travail a été concentré sur la génération d'un catalogue d'éléments biologiques, ce n'est pas que récemment qu'un effort coordonné pour dé- couvrir les réseaux de relations entre ces parties a'été constaté. Nous sommes intereses à comprendre non pas seulement ces réseaux, mais aussi la façon dont, à partir de ses connexions, émergent des fonctions biologiques. Ce travail se concentre sur la découverte, la modélisation et l'exploitation d'un de ces réseaux : le métabolisme. Un réseau métabolique est un ensemble des réac- tions biochimiques interconnectées qui se produisent à l'intérieur, ou dans les limites d'une cellule vivante. Une nouvelle méthode de découverte, ou de reconstruction des réseaux métaboliques est proposée dans ce travail, avec une emphase particulière sur les organismes eucaryotes. Cette nouvelle méthode est divisée en deux parties : une nouvelle approche pour la modélisation de la reconstruction basée sur l'instanciation des éléments d'un modèle squelette existant, et une nouvelle méthode de réécriture d'association des gènes. Cette méthode en deux parties permet des reconstructions qui vont au-delà de la capacité des méthodes de l'état de l'art, permettant la reconstruction de modèles métaboliques des organismes eucaryotes, et fournissant une relation détaillée entre ses réactions et ses gènes, des connaissances cruciales pour des applications biotechnologies. Les méthodes de reconstruction développées dans ce travail, ont été complétées par un workflow itératif d'édition, de vérification et d'amélioration du modèle. Ce workflow a été implémenté dans un logiciel, appelé Pathtastic. Comme une étude de cas de la méthode développée et implémentée dans le pré- sent travail, le réseau métabolique de la levure oléagineuse Yarrowia lipolytica, connu comme contaminant alimentaire et utilisé pour la biorestauration et comme usine cellulaire, a été reconstruit. Une version préliminaire du modèle a été générée avec Pathtastic, laquelle a été améliorée par curation manuelle, à travers d'un travail avec des spécialistes dans le domaine de cette espèce. Les données expérimentales, obtenues à partir de la littérature, ont été utilisées pour évaluer la qualité du modèle produit. La méthode de reconstruction chez les eucaryotes, et le modèle reconstruit de Y. lipolytica peuvent être utiles pour les communautés scientifiques respectives, le premier comme un pas vers une meilleure reconstruction automatique des réseaux métaboliques, et le deuxième comme un soutien à la recherche, un outil pour des applications biotechnologiques et comme un étalon-or pour les reconstructions futures.

The majority of surfactants commercially available is synthesized from petroleum, thus representing an important source of pollution, causing adverse biological effects to the aquatics organisms. In the detergent industries, despite of many trades available in the market are called as biodegradable and under the legislation actual, it's known that in real the actives components are tensoactives obtained by chemical and not by biochemical route. In other words, what occurred was only a change of the main active component alkylbenzene sodium sulphonate branched chain for one of linear chain, what in fact facilitated the molecular degradation by microorganisms, but not as much as compared to the natural surfactants. Arming to salve those problems, in this work we will show a development process of two biodetergents from biosurfactants that follow environmental appeal and available new alternatives products in the market, using a new technology which may be inserted promise of sustainable industrial development that give attention, specially, to the use of clean technologies. The purpose of this invention is to combine the main soap and synthetic detergent’s features providing an alternative to using of the latter, therefore it adds from the soap its higher biodegradability’s features and from the synthetic detergent its advantage on acting in a still efficient way, even when utilized in hard waters. Initially, were produced two biosurfactants called as liposan and rhamnolipid obtained from aerobic fermentation, using a Yarrowia lipolytica IMUFRJ 50682 yeast strain and another Pseudomonas aeruginosa INCQS 0588092 bacterium straim, respectively. After the analysis of the different experimental conditions, it was concluded that the pH 7.0, at temperature of 35°C with rotation of 150 rpm, were the main factor that influenced on the production of both biosurfactants. The response variables used were surface tension, the index E24, the production of biomass, biosurfactant production and consumption of substrate. After the separation and extraction of the liposan and the rhamnolipid, it was held the modification of the two molecules by a chemical reaction and the biodetergents were formulated adding the adjuvant agents and completing the final volume with distilled water. The efficiency of the biodetergents was evaluated comparing the viscosities from a sample of crude oil with a produced water emulsion/oil containing the biodetergents, where it was verified a reduction on the viscosity, about 8% for the biodetergent 1 derived from the liposan and 36% for the biodetergent 2 derived from the rhamnolipid. It was observed from the analysis of the DSC that the developed biodetergents didn’t show any physico-chemical change when dissolved in samples of distilled water and compared to the produced water, concluding that both show good thermal stability and it wasn’t detected any chemical interaction, on the studied thermal range, between the biodetergents and the present salts in great quantity in the produced water, showing also a good tolerance to ionic strength. Regarding the capacity to produce foam and remove dirt in tissues and dishes both produced biodetergents showed foaming power and detergent action similar when compared to the synthetic detergent commercial. Therefore, it’s concluded that the produced biodetergents show good surfactant and emulsification capacity compared to the chemical synthetic surfactants, maybe being used in substitution themselves for the presented advantages. / A maioria dos surfactantes disponíveis comercialmente é sintetizada a partir de derivados do petróleo, representando assim uma importante fonte de poluição, causando efeitos biológicos adversos a organismos aquáticos. Na indústria de detergentes, apesar das várias marcas disponíveis no mercado serem consideradas biodegradáveis e amparadas pela legislação em vigor, sabe-se que na verdade os componentes ativos são tensoativos obtidos por via química e não bioquímica, ou seja, o que houve foi apenas a mudança do principal componente ativo alquilbenzeno sulfonato de sódio de cadeia ramificada pelo de cadeia linear, o que de fato facilitou a degradação da molécula por microrganismos, mas não tanto quanto ao comparado com os surfactantes naturais. Com intuito de solucionar tais inconvenientes, neste trabalho apresentaremos um processo de desenvolvimento de dois biodetergentes, a partir de biossurfactantes que atendam ao apelo ambiental e que disponibilize no mercado novos produtos alternativos aos já existentes, utilizando uma nova tecnologia que possa estar inserida na promessa de desenvolvimento industrial sustentável que prima, sobretudo, pelo uso de tecnologias limpas. A presente invenção conjuga as principais propriedades do sabão e do detergente sintético proporcionando uma alternativa ao uso destes últimos, pois, agrega do sabão as características de maior biodegradabilidade e do detergente sintético a vantagem de agir de forma ainda eficiente mesmo quando utilizado em águas duras. Inicialmente produziram-se dois biossurfactantes denominados de liposan e ramnolipídeo obtidos a partir da fermentação aeróbia, utilizando-se uma cepa da levedura Yarrowia lipolytica IMUFRJ 50682 e outra cepa da bactéria Pseudomonas aeruginosa INCQS 0588092, respectivamente. Após a análise exploratória das diferentes condições experimentais, concluiu-se que o pH 7,0, a temperatura de 35°C e agitação de 150 rpm, foram os fatores que mais influenciaram na produção dos dois biossurfactantes. As condições experimentais foram analisadas quanto à tensão superficial, o índice E24, a produção de biomassa, a produção do biossurfactante e o consumo do substrato. Após a separação e extração do liposan e do ramnolipídeo, realizou-se a modificação das duas moléculas através de uma reação química e formulou-se os biodetergentes adicionando-se os agentes coadjuvantes e completando-se o volume final com água destilada. A eficiência dos biodetergentes foi avaliada comparando as viscosidades de uma amostra de óleo bruto com uma emulsão água produzida/óleo contendo os biodetergentes, onde se verificou uma redução da viscosidade em torno de 8% para o biodetergente 1 derivado do liposan e 36% para o biodetergente 2 derivado do ramnolipídeo. Observou-se através da análise de DSC que os biodetergentes desenvolvidos não apresentaram transformações físico-químicas quando dissolvidos em amostras de água destilada e comparadas com água produzida, concluindo-se que ambos apresentaram boa estabilidade térmica e que não foi detectada nenhuma interação química, na faixa de temperatura estudada, entre os biodetergentes e os sais presentes em grande quantidade na água produzida, mostrando assim também uma boa tolerância à força iônica. Em relação à capacidade de produzir espuma e de remover sujidades em tecidos e em louças, os dois biodetergentes produzidos apresentaram poder espumante e ação detergente semelhante quando comparado ao sintético comercial. Desta forma, pode-se concluir que os biodetergentes produzidos apresentaram boa capacidade tensoativa e de emulsificação comparado aos surfactantes químicos sintéticos, podendo ser utilizados em substituição aos mesmos pelas vantagens apresentadas.