Understanding and exploiting overflow metabolism in biotechnology

Comprendre et exploiter le métabolisme d'overflow en biotechnologie Le métabolisme overflow est un phénomène hautement conservé qui désigne la production de métabolites partiellement oxydés (tels que l’acétate, l’éthanol ou le lactate) par des cellules microbiennes cultivées sur des substrats glycolytiques, même en conditions aérobies. Longtemps considérés comme des sous-produits inutiles, les métabolites d’overflow sont de plus en plus reconnus comme faisant partie d’une réponse régulée et adaptative à des environnements riches en nutriments. Dans cette thèse, nous proposons un cadre conceptuel général pour étudier le métabolisme d’overflow entre différentes espèces. En nous appuyant sur les contraintes thermodynamiques, la théorie du contrôle métabolique et des observations à l’échelle des systèmes, nous identifions des principes généraux qui gouvernent l’apparition et la régulation du métabolisme d’overflow. Ce cadre repose notamment sur l’idée que l’accumulation de sous-produits extracellulaires (comme l’éthanol ou l’acétate), combinée à l’interaction entre la glycolyse et les voies d’overflow, régule le flux de métabolites d’overflow et peut conduire à leur co-utilisation avec les substrats glycolytiques. La réversibilité de ce flux s’accompagne d’effets bénéfiques sur la physiologie cellulaire : l’acétate (et l’éthanol), loin d’être de simples déchets toxiques, peuvent en réalité favoriser la croissance microbienne en conditions de limitation glycolytique. Nous avons testé la robustesse et l’universalité de ce cadre en comparant deux organismes modèles évolutivement éloignés : Escherichia coli, une bactérie qui excrète de l’acétate ; Saccharomyces cerevisiae, une levure Crabtree-positive qui excrète de l’éthanol ; et Komagataella phaffii, une levure Crabtree-négative qui produit nettement moins d’éthanol. Malgré des différences d’architecture cellulaire et de mécanismes de régulation, tous ces organismes présentent un métabolisme d’overflow régi par des principes sous-jacents similaires. Nos résultats révèlent une remarquable conservation du fonctionnement métabolique à travers les domaines du vivant. Enfin, nous avons exploré les implications de ces résultats pour la biotechnologie industrielle. Le métabolisme d’overflow limite souvent les rendements des produits dans les bioraffineries microbiennes, mais une meilleure compréhension de son fonctionnement et de sa régulation ouvre de nouvelles perspectives pour l’ingénierie métabolique. En modulant les paramètres qui gouvernent l’overflow, il devient possible de rediriger les flux vers des produits d’intérêt, d’améliorer l’efficacité des bioprocédés et d’accroître la robustesse en conditions de production. Notre travail contribue ainsi à la fois à la compréhension fondamentale du métabolisme cellulaire et à sa manipulation rationnelle pour l’innovation biotechnologique.