INGENIERIE TRANSCRIPTIONELLE ET PROCEDE BIOCOMPATIBLE D’EXTRACTION DES LIPIDES DE LA MICROALGUE Phaeodactylum tricornutum

Depuis sa création en mars 2019, l’unité BiOSSE de Le Mans Université se concentre principalement sur les activités de recherche fondamentale ou appliquée. Sur le plan fondamental, cela concerne les réponses aux stress de différents organismes modèles, microalgues, invertébrés (annélides, mollusques, crustacés, insectes), mammifères ou modèles cellulaires. Au niveau appliqué, cela comprend essentiellement la production de molécules bioactives en réponse aux stress, l’extraction biocompatible de ces composés et l’étude de leurs effets en santé animale et humaine. Ce sujet de stage de Master s’intègre à l’axe 2 de l’Unité : Métabolisme, Ingénierie Moléculaire des Micro-algues et Applications (MIMMA).

LE CONTEXTE DU PROJET

L’épuisement progressif des ressources naturelles entraîne une hausse de leurs prix sur les marchés. Pour répondre à cette raréfaction, de nouvelles ressources renouvelables et à faible coût sont activement recherchées. Parmi elles, les microalgues suscitent un intérêt croissant. Comme les plantes terrestres, elles sont photosynthétiques : en présence de lumière et de nutriments minéraux, elles utilisent le CO₂ dissous dans l’eau pour produire, leurs constituants cellulaires. Certains de ces composés présentent un fort potentiel pour les industries de l’énergie, de la nutrition, de la cosmétique, de la santé et du bien-être.

En conditions favorables, le carbone fixé est principalement converti en hydrates de carbone. En revanche, sous stress (carence nutritive, forte intensité lumineuse…), le métabolisme est réorienté vers la synthèse de molécules comme les lipides et les caroténoïdes. Les lipides, en particulier, revêtent un double intérêt :

• Énergétique : ils constituent une source prometteuse de biocarburants, transformables en biodiesel et autres carburants renouvelables, avec l’avantage de ne pas concurrencer les cultures alimentaires et de pouvoir être produits dans des milieux variés, y compris des eaux saumâtres ou usées.
• Nutritionnel et médical : certains lipides produits par les microalgues sont riches en acides gras polyinsaturés, notamment en oméga-3, bénéfiques pour la santé humaine (prévention cardiovasculaire, maintien des fonctions cérébrales).

Ainsi, les lipides de microalgues apparaissent comme une ressource stratégique à la fois pour la transition énergétique durable et pour la santé. Cependant, malgré ce potentiel, les biotechnologies à base de microalgues restent peu rentables. Deux verrous principaux peuvent être identifiés :

(1) une connaissance scientifique des processus biologiques se déroulant à l’intérieur même des microalgues limitée. Si certains mécanismes cellulaires et biochimiques des microalgues sont bien décrits, la régulation moléculaire de la réorientation métabolique reste encore mal comprise. Les facteurs de transcription (FTs) jouent un rôle central dans ce processus : activateurs ou répresseurs du complexe transcriptionnel associé à l’ARN polymérase, ils contrôlent l’expression des gènes et permettent aux cellules d’adapter leur métabolisme face aux variations environnementales. Notre attention se porte sur les FTs impliqués dans la régulation de la biosynthèse des lipides chez la diatomée Phaeodactylum tricornutum. Ce modèle présente plusieurs atouts : il est facilement cultivable, son génome est séquencé et annoté, et de nombreux outils d’ingénierie génétique sont déjà disponibles. Les progrès récents en séquençage et bioinformatique ont permis d’identifier de nombreux FTs chez les microalgues, mais leur rôle précis en condition de stress demeure largement à élucider. Notre objectif est donc de mieux comprendre la régulation transcriptionnelle de la production lipidique chez P. tricornutum afin de lever ce verrou biologique.

(2) des procédés classiques d’extraction des biomolécules énergivores et destructeurs de la biomasse.
L’utilisation de solvants organiques ou de traitements mécaniques conduit à la lyse cellulaire, à la perte de co-produits valorisables et à un impact environnemental significatif. Pour y remédier, des procédés « biocompatibles » ou « non destructeurs » sont explorés. Parmi eux, les champs électriques pulsés (PEF) apparaissent prometteurs. Les PEF induisent une perméabilisation transitoire des membranes cellulaires, sans provoquer de lyse complète. Cette « poration contrôlée » permet d’extraire lipides et autres composés intracellulaires tout en maintenant la viabilité d’au moins une partie de la biomasse. Cette approche réduit (voire supprime) l’usage de solvants, abaisse les coûts énergétiques par rapport aux procédés mécaniques intensifs et ouvre la voie à des procédés de type milking, exploitant les microalgues de façon répétée à l’image de la production de lait par les vaches. Intégrée dans une logique de bioraffinerie, la technologie PEF favorisait la valorisation conjointe des lipides (biocarburants) et de co-produits (pigments, protéines, polysaccharides) pour divers secteurs, tout en limitant l’empreinte environnementale.

L’association de microalgues génétiquement optimisées pour la production de lipides et de procédés d’extraction non destructeurs tels que les PEF représente donc une voie intégrée pour améliorer à la fois la durabilité et la rentabilité des biotechnologies microalgales. Ce travail a déjà été amorcé dans notre laboratoire par différents doctorants et post-doctorants au sein de l’équipe. Des cultures de P. tricornutum ont été menées en photobioréacteur, notamment sous carence azotée, condition connue pour stimuler l’accumulation de lipides (Scarsini et al., 2022). Plusieurs FTs impliqués dans la régulation lipidique ont pu être identifiés. Concernant l’utilisation des champs électriques pulsés, les premiers essais ont porté surtout des microalgues d’eau douce et l’extraction de protéines (Gateau et al., 2021).

OBJECTIFS DU STAGE DE M2

• Culture en photobioréacteur : développer la culture de P. tricornutum dans un photobioréacteur NANO de 3 L (Synoxis Algae) en mode turbidostat, puis induire une carence nutritive pour stimuler la production lipidique. Des prélèvements réguliers permettront des analyses physiologiques et moléculaires fines. Ces cultures serviront aussi à l’étape d’extraction (objectif b).

• Extraction biocompatible par PEF : optimiser l’extraction lipidique par champs électriques pulsés. Le principal défi est lié à la forte conductivité du milieu de culture salin de P. tricornutum, qui favorise les arcs électriques et l’échauffement. L’objectif sera d’adapter les milieux de culture et/ou de transfert, ainsi que les paramètres d’impulsion (champ appliqué, durée, nombre). Deux électroporateurs (Gene Pulser Xcell Biorad et DEEX-Bio βtech) pourront être utilisés.
•  
• Biologie moléculaire : (1) Analyser des données RNAseq. Il s’agira d’exploiter un jeu de données déjà acquis sur P. tricornutum cultivée en carence azotée (Scarsini et al., 2022), afin d’identifier des gènes différentiellement exprimés et de construire des réseaux de régulation intégrant des FTs, pour mettre en évidence les régulateurs clés ; (2) Participer à la caractérisation moléculaire et physiologique de certaines souches modifiées pour des FTs et présents au laboratoire

Encadrant : Justine MARCHAND (MCF)

Culture cellulaire, biologie moléculaire, bioinformatique, biochimie

Autonomie, connaissance de la langue anglaise