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DEVELOPPEMENTS RECENTS EN BIOTECHNOLOGIES INDUSTRIELLES

Pierre MONSAN

JOURNEE TECHNIQUE BIOPROCEDES

Lyon 02/07/2015

CONSOMPTIBLE

1

CONSOMPTIBLE

Qui se détruit par l’usage qu’on en fait !

2

CONSOMPTIBLE

Qui se détruit par l’usage qu’on en fait !

CARBONE FOSSILE

3

LES ÉMISSIONS DE CO2

4

NON CONSOMPTIBLE

5

NON CONSOMPTIBLE

Qui se renouvelle constamment!

6

CONSOMPTIBLE

Qui se renouvelle constamment !

CARBONE RENOUVELABLE

7

CARBONE RENOUVELABLE

8

PRODUITS AGRICOLES

9

CO-PRODUITS AGRICOLES, FORÊT, DÉCHETS

10

BIOTECHNOLOGIES INDUSTRIELLES

11

12

OUTILS BIOLOGIQUES

• Enzymes� Ingénierie Moléculaire

• Microorganismes� Ingénierie métabolique

� Biologie synthétique

• Consortia microbiens

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INGENIERIE MOLECULAIRE

INGÉNIERIE MOLÉCULAIRE

• Mutagénèse dirigée

• Ingénierie aléatoire

• Ingénierie rationnelle

• Création de nouvelle activités catalytiques

15

Outils et Stratégie de l’Ingénierie Métabolique

Pilot lab-scale

Valider l’efficacitéde la voiemétabolique choisiein silico

Optimiser la voie biologiqueallant de la matière premièreau produit

Construire la bactérie qui utilise cette voie métabolique

Du produit à la meilleure bactérie

Quantifier les modifications réalisées pour savoir ce qui doit être fait après

Bioinformatique

Identifier la meilleure voie biologique

Construction de la souche recombinante

Biologie moléculaire

Flux métaboliques

INGENIERIE METABOLIQUE

Une approche de biologie intégrative dédiée à l’analyse du métabolisme à l’échelle du système biologique

Métabolomique

« La Biologie de synthèse est l’ingénierie de composants et de systèmes biologiques qui n’existent pas dans la nature et la réingénierie d’éléments biologiques existants; elle porte sur la conception intentionnelle de systèmes biologiques artificiels ».

IMPACT DE L’INGÉNIERIE MÉTABOLIQUE POUR LES BIOTECHNOLOGIES BLANCHES

Ressources renouvelables

Produit final d’intérêt industriel

Production à :- rendement maximal- vitesse de production maximale- forte concentration

Microorganismes=Usines cellulaires

Objectif : Amélioration dirigée de la synthèse d’un produit par lamodification de voies métaboliques existantes oul’introduction de nouvelles voies métaboliques

HYDROCORTISONE

21

Synthèse totale d’un médicament par une levure

• Voie de production actuelle : hémisynthèse- nombreuses étapes de conversion chimique et une

étape de bioconversion impliquant un microorganisme

naturel

- à partir d’acides biliaires ou de phytostérols

� procédé complexe, coûteux, générateur de

sous produits

• Biosynthèse totale

ETHANOL

HYDROCORTISONE

� production d’un médicament de façon autonome à

partir de sources de carbone simples (alcool, sucre) et

d’oxygène.

enzymes de l’homme/

bœuf/ plantes

enzymes de la levure

optimisées

Voie principale

Réactions parasites

Réactions secondaires

HydroCortisone

17a-20a-dihydroxypregn-4-ene-3-one

Pregnenolone acetate

Corticosterone

11-deoxycortisol

Hydrocortisone

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

(36%)(60%)

(52%)

(69%)

Effect of side reaction controlon steroid yield

Strain A Strain B Strain C Strain D

ARTEMISININE

25

Up to 100mg/L yeast

ACIDE SUCCINIQUE

28

ACIDE SUCCINIQUE

• REVERDIA : ROQUETTE / DSM à CassanoSpinola, Italie (10 kt/an)

• BioAmber : JV avec MITSUI & Co. à Sarnia, Canada (30 kt/an)

Accords de fourniture avec OLEON et VINMAR• MYRIANT : Lake Providence, Louisiane

(15 kt/an)• SUCCINITY : BASF / PURAC

(10 kt/an)

30

1,3-PROPANEDIOL

• DuPontEx-glucose

• Metabolic ExplorerEx-glycérineLicence SK Chemicals (Corée)

31

ISOBUTENE

32

LES BIORAFFINERIES

• carbone renouvelable

• Intégration agriculture/industrie

• Valorisation de la plante entière

• « craquage » végétal

• applications alimentaires et non-alimentaires

BIORAFFINERIES 2G

37

RETROSYNTHESE

38

RETROSYNTHESE

39

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TOULOUSE WHITE

BIOTECHNOLOGY

Démonstrateur préindustriel

Ver

sion

du

26 m

ai 2

015

PARTENAIRES DU CONSORTIUM

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Partenaires industriels

Partenaires investisseurs / valorisation

Partenaires publics

CHIFFRES CLES 2012-2014

www.toulouse-white-biotechnology.com 42

0

10

20

30

40

50

60

70

janv.-12 avr.-12 juil.-12 oct.-12 2013 2014

66 collaborateurs

SYNTHesis of Value-Added Chemicals from

renewable resources

SYNTHACs

Construction of a Synthetic Metabolic Pathway for

Production of 2,4-Dihydroxybutyric Acid

Thomas Walther, H. Cordier, A, Baylac, Ch. Topham, C. Auriol, R. Irague, I. André, M.

Maestracci, R. Huet, M. Remaud-Simeon & Jean M. François

Market figures for methionine

- major application is animal nutrition (poultry feed)

- annual production: ~ 800 000 t

- market volume: ~ 2.5 - 3 billion US $

- annual growth > 5 %

Economic interest of DHB: readily convertable to methionine

- 100 % petrol-based production

-> possible to replace chemical synthesis by

fermentation processes ?

(L)-2,4-DHB (L)-homoserine

HMTB(methionine hydroxy analogue)

?

NAD(P)

NAD(P)H

(L)-aspartate

4-phospho-(L)-

aspartate

(L)-aspartate-4-

semialdehyde

aspartate

kinase

aspartate

semialdehyde

dehydrogenase

homoserine

dehydrogenase

ATP

ADP

NADPH

Natural pathway for

homoserine biosynthesis

NADP, Pi (=PO4)

+ CH3SH

(chemical incorporation)

(L)-2,4-DHB (L)-homoserine

HMTB(methionine hydroxy analogue)

NAD(P)

NAD(P)H

(L)-aspartate

4-phospho-(L)-

aspartate

(L)-aspartate-4-

semialdehyde

aspartate

kinase

aspartate

semialdehyde

dehydrogenase

homoserine

dehydrogenase

ATP

ADP

NADPH

Natural pathway for

homoserine biosynthesis

NADP, Pi (=PO4)

(L)-malate

+ CH3SH

(chemical incorporation)

(L)-2,4-DHB (L)-homoserine

HMTB(methionine hydroxy analogue)

NAD(P)

NAD(P)H

(L)-aspartate

4-phospho-(L)-

aspartate

(L)-aspartate-4-

semialdehyde

aspartate

kinase

aspartate

semialdehyde

dehydrogenase

homoserine

dehydrogenase

ATP

ADP

NADPH

Natural pathway for

homoserine biosynthesis

NADP, Pi (=PO4)

(L)-malate-4-

semialdehyde

(L)-malate

ATP

ADP

NADPH

NAD(P)

NAD(P)H

4-phospho-

(L)-malate

malate

kinase

malate

semialdehyde

dehydrogenase

DHB

dehydrogenase

NADP, Pi (=PO4)

+ CH3SH

(chemical incorporation)

(L)-2,4-DHB

(L)-malate-4-

semialdehyde

(L)-malate

ATP

ADP

NADPH

NAD(P)

NAD(P)H

4-phospho-

(L)-malate

malate

kinase

malate

semialdehyde

dehydrogenase

DHB

dehydrogenase

NADP, Pi (=PO4)

Enzymatic activities:

Malate kinase, MSA dehydrogenase, DHB dehydrogenase

(=MSA reductase) have not been reported

Pathway intermediates:

4-phosphomalate, malate-4-semialdehyde, (DHB) have not

been reported

-> Synthetic Biology approach to

implement artificial pathway

Technological problems ?

-> Recombinatorial approach impossible

CARBOYEAST

51

CARBOYEAST

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CARBOYEAST

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