domestication des microalgues pour la production ·

Colloque « Bioprocédés et Bioproduction » CNRS Paris, 10 Juillet 2014

Gilles Peltier

CEA Cadarache Laboratoire de Bioénergétique et Biotechnologie des Microalgues

UMR 7265 Biologie Végétale et Microbiologie Environnementale

Domestication des microalgues pour la production d’énergie:

enjeux et stratégies de recherche

CEA Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives

CNRS Centre National de la Recherche Scientifique

Aix-Marseille Université


Les micro-algues et les cyanobactéries

… une biodiversité à peine explorée : 30 000 espèces décrites 200 000 à 1 million estimées

40 à 50% de la photosynthèse terrestre À l’origine de la formation du pétrole

Concentration en pigments du phytoplancton: source NASA


Récolte de Spiruline (“dihé”) sur les rives du lac Tchad

Des composés d’intérêt pour notre alimentation


Earthrise Algae Farm,

Calipatria, California, USA,

Culture en bassins ouverts

sur 22 ha

Culture en bassins ouverts : raceway ponds


Des composés d’intérêt pour notre alimentation

Les bienfaits de manger du poisson, de l’huile de foie de morue

Les microalgues trouvées dans la biodiversité marine

produisent des acides gras poly-insaturés (DHA, EPA)

Les poissons se nourissent de microalgues

Les huiles poisson sont riches

en acides gras poly-insaturés


La production mondiale de microalgues

D’après M. Tredici, EABA Meeting, Florence, 2009

Une technologie de niche !

Production annuelle de blé 660 Mt

Production annuelle de riz 460 Mt


Temps d’accès au marché

Aquaculture

Nutraceutique

Cosmétique

Chimie verte Energie

10 ans 20 ans ?

Marchés de niche existants Haute valeur ajoutée

Marchés de masse à conquérir Faible valeur ajoutée

Verrous

biologiques & technologiques

Des marchés de niche aux marchés de l’énergie

Sélection dans le milieu naturel

de souches d’intérêt

Amélioration et domestication

des souches


Production de molécules d’intérêt énergétique

Pc H2O

Cyt b6/f

Sucres

PS II PS I

FNR QA

O2

Rubisco

CO2 Amidon

Fd

H2ase

H+ H2

Lipides

NADPH

CO2

fixation

PQ(H)2

• La production d’hydrogène constituerait une soupape de sécurité (perte énergétique)

0

1

2

3

4

H 2

O 2

hn

2 4 6

Temps (min) 0

Con

ce

ntr

atio

n H

2 (

µM

)


Production de molécules d’intérêt énergétique

Pc H2O

Cyt b6/f

Sucres

PS II PS I

FNR QA

O2

Rubisco

CO2 Amidon

Fd

H2ase

H+ H2

Lipides

NADPH

CO2

fixation

PQ(H)2

• Les composés de réserve (lipides, amidon) s’accumulent en réponse à des conditions défavorables (carences)


Les verrous biologiques et technologiques

Microalgues Plantes C4 Plantes C3

Productivité maximale (T.ha-1.an-1)

Rendement photosynthétique

150-180

~ 6 - 7.5 %

60

~ 2.5 %

30

~1.25 %

Productivité observée (T.ha-1.an-1) 50-70 10-30 10-15

Productivité en lipides potentielle

(T. ha-1.an-1) 75-90

Productivité en lipides observée

(T. ha-1.an-1) 15-20 3 1.5

Coûts de production ($.kg-1) 0.4 - 40 0.04 0.04

Chlamydomonas reinhardtii

Verrous

Biologigues

- Accroître la productivité des souches

- Diminuer les coûts de production

Verrous

Technologiques

Copyright CEA

Copyright CEA


Amidon

Huile

Génomique, génétique

Biotechnologies

20 - 30 ans ?

Téosinte Maïs

7,000 à 10,000 ans

Domestiquer les microalgues pour l’énergie


Génétique

Biotechnologies

Amidon Hydrogène

Huile

Production d’hydrogène

Accumulation d’huile

Excrétion de lipides

Objectifs • Identifier les gènes régulateurs clef impliqués

dans la régulation de la photosynthèse et du stockage de l’énergie (amidon, lipides)

• Reprogrammer les processus cellulaires pour une production accrue de composés riches en énergie

Domestiquer les microalgues pour produire des biocarburants


Contrôle génétique de la conversion et du stockage de l’énergie

Light harvesting

Electron transfer

CO2 assimilation

Growth

Starch

Reserves

Oil

Biomass

Light Temperature Nutrients (N, P, S…)

CO2

Intracellular signalling

Genetic program (DNA, RNA, proteins, metabolites…)

O2

H2O


Un modèle privilégié: Chlamydomonas reinhardtii

CO2

• Unicellulaire, division rapide (8h)

• Génome séquencé

• Stage végétatif haploïde

• Outils génétiques et moléculaires

• Collections de mutants

• Accumule de l’amidon, des lipides de réserve (jusqu’à 50%), produit H2

• Peut être cultivé en photobioréacteur industriel

10 µm Copyright CEA

Image courtesy University of Utah Copyright CEA


- Un processus efficace, mais transitoire - Perte énergétique - Evacuation du pouvoir réducteur en excès

Production d’hydrogène par les microalgues

0

1

2

3

4

H 2

O 2

hn

2 4 6

Temps (min) 0

Co

nce

ntr

atio

n H

2 (

µM

)

Challenge: accroître le flux d’électrons vers l’hydrogénase


Amidon

Lipides

CO2

fixation

Photochimie

Fluorescence

Chaleur

Mesure de l’efficacité de conversion photosynthétique

PS II

QA

O2 2 H2O

PS I

CO2

H2

Crible génétique pour isoler des mutants sur-producteurs d’H2


AphVIII Sélection des transformants - Résistance antibiotique

Transformation - Electroporation

Cassette de résistance antibiotiques

Analyse des transitoires de fluorescence sur des colonies isolées

Copyright CEA Copyright CEA

Time (min)

0 2 4 6 8 10

Time (min)

0 2 4 6 8

H2 p

roduction (

nm

ol.µ

g-1

chlo

rophyl

l )

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

+ FCCP

a b

Control

Time (h)

0 25 50 75 100125150175

H2 (

µm

ol.µ

g-1

chlo

rophyl

l )

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

Time (h)

0 25 50 75 100 125 150

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

c d

Tolleter et al. (2011) Plant Cell

pgrl1

mutant

WT control

Isolement d’un mutant sur-producteur d’ H2

15,000 mutants criblés

Crible génétique pour isoler des mutants sur-producteurs d’H2


WT

Coloration à l’iode

Chochois et al. (2010) Int. J. Hydrogen Energy

Amidon

Lipides

CO2

fixation

PS II

QA

O2 2 H2O

PS I

CO2

15,000 mutants criblés

Crible génétique pour isoler des mutants « amidon »


WT std1 C2 C7

3

10

0

Days i

n

MM

-N/C

O2

Le mutant std1 produit plus d’amidon et de biomasse

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

0 2 4 6 8 10

time in MM-N/CO2 (d)

Sta

rch

(m

g/µ

m3 c

ell v

ol/1

0-9

)

C7

C2

std1

WT

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 2 4 6 8 10


Sta

rch

(µ

g/c

ell

vo

l µ

m3/1

0-9

)

WT

std1

C2

C7

Accumulation d’amidon accrue

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0 1 2 3 6


bio

ma

ss

(m

g/m

l c

ult

ure

)

WT

std1

C2

C7

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0 1 2 3 6


bio

mass (

mg

/ml

cu

ltu

re)

WT

std1

C2

C7

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0 1 2 3 6


bio

mass (

mg

/ml

cu

ltu

re)

WT

std1

C2

C7

Production de biomasse accrue

Schulz-Raffelt et al. (in prep)

STD1 est une protéine kinase

appartenant à une famille (DYRK) jusque là

uniquement connue chez les levures et les

animaux


0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Oil (µg/million cells)

Time (hours)

Triacylglycerols

Accumulation

PhaseDegradation

Phase– Nitrogen

Light

+ Nitrogen

Dark

+N –N +N

Criblage de mutants d’accumulation d’huile

Siaut et al. (2011) BMC Biotechnol


0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Oil (µg/million cells)

Time (hours)

Triacylglycerols

Accumulation

PhaseDegradation

Phase

MUTANT (II)

MUTANT (III)

MUTANT (II)

MUTANT (I)

MUTANT (II)

– Nitrogen

Light

+ Nitrogen

Dark

+N –N +N

Siaut et al. (2011) BMC Biotechnol

Criblage de mutants d’accumulation d’huile


Récolte

- Centrifugation

- Filtration

- Floculation

- Décantation

-….

Domestication

- Exploration des la biodiversité

- Criblage haut-débit

- Génomique,

- Mécanismes biologiques et régulations

- Génie génétique et métabolique

- Modélisation prédictive

- Biologie de synthèse

Systèmes de culture Extraction

- Solvants

- Techniques séparatives

- Valorisation de la biomasse

- Recyclage de nutriments

- Remédiation du CO2

Technologie, génie des procédés

Photobioréacteurs

Raceways

Photobioréacteurs

Analyses technico-économiques (Analyses de cycles de vie ,

émissions de GES…)

Lagunage

Vers une filière industrielle de production de microalgues

Photosynthèse et stockage de l’énergie

Perception et signalisation de l’environne-ment

Résistance au stress photo-oxydant

Mécanismes biologiques

Biologie, biotechnologie


Pienkos et al. (2011) American Scientist

Vers un concept de bioraffinerie


Des microalgues pour la production de biocarburants ? Conclusions

Des progrès importants doivent être réalisés pour une production de biocarburants économiquement viable et préservant l’environnement

L’avenir des microalgues pour la production d’énergie dépendra :

Des efforts de recherches: génomique, génétique, biotechnologie & génie des procédés

De l’évolution de la demande sociétale : prise en compte du coût environnemental, des cours de l’énergie…

domestication des microalgues pour la production ·

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