Thèse Conception Rationnelle de Consortia Synthétiques Simplifiés de Champignons et de Bactéries Anaérobies pour la Bioconversion de la Lignocellulose H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse École doctorale : SEVAB - Sciences Ecologiques, Vétérinaires, Agronomiques et Bioingenieries Laboratoire de recherche : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering Direction de la thèse : Guillermina HERNANDEZ-RAQUET ORCID 0000000344654607 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 La prise de conscience des graves conséquences climatiques liées à l'utilisation excessive des ressources fossiles souligne l'urgence pour développer des alternatives durables pour la production d'énergie, de carburants et de produits chimiques. La biomasse lignocellulosique issue des coproduits agricoles et forestiers et des cultures énergétiques dédiées, constitue la ressource renouvelable la plus abondante. Elle offre un fort potentiel pour la production d'énergie, de biocarburants et de produits chimiques. Cependant, son exploitation demeure limitée, en raison de sa composition biochimique et structurale complexe, qui limitent sa bioconversion.
Dans les écosystèmes naturels, de consortia microbiens lignocellulolytiques, constitués de différentes espèces microbiennes, ont développé des stratégies efficaces pour dégrader cette biomasse. Ces consortia produisent collectivement le vaste éventail d'enzymes agissant en synergie, notamment des endo- et exo-glucanases, des glucosidases, des xylanases, des ligninases, etc.; une telle gamme d'enzymes ne peut être produite par une souche microbienne unique. Pour parvenir à une conversion efficace, les consortia microbiens appliquent le principe de « division du travail », selon lequel différentes populations assurent des activités complémentaires, favorisant les synergies au sein du consortium. Par exemple, dans le rumen bovin, où s'opère le recyclage de la matière organique végétale, plusieurs espèces de champignons et de bactéries anaérobies, produisant différentes enzymes, contribuent de manière synergique à la conversion de la biomasse.
Ce potentiel métabolique des consortia microbiens suscite un vif intérêt, offrant un fort potentiel pour le développement de nouvelles stratégies de bioconversion de la lignocellulose. De plus, il est possible d'utiliser des consortia microbiens dans un bioprocédé consolidé, dans lequel les microorganismes produisent leurs propres enzymes hydrolytiques et des microorganismes sélectionnés convertissent simultanément les sucres libres en molécules d'intérêt dans la même cuve de fermentation. Cependant, l'utilisation des consortia microbiens reste limitée par l'insuffisante compréhension des mécanismes permettant de contrôler le grand nombre d'espèces microbiennes et de voies métaboliques présents au sein de ces consortia, ce qui reste un défi majeur. Pour relever ce défi, on s'intéresse à mimer les principes naturels appliqués par les consortia microbiens, afin de concevoir des consortia synthétiques simplifiés, composés d'un nombre minimal d'espèces exprimant des phénotypes efficaces et fonctionnellement complémentaires. Des consortia synthétiques simplifiés, conçus de manière rationnelle, peuvent offrir de meilleures performances que les systèmes à souche unique en raison de leur important potentiel métabolique et de leurs complémentarités fonctionnelles.
Dans ce contexte, ce projet de thèse propose une approche rationnelle « ascendante » (bottom-up) et fondée sur la « division du travail » pour concevoir des consortia microbiens lignocellulolytiques anaérobies hautement efficaces. Ces consortia comprendront un nombre minimal d'espèces lignocellulolytiques clés, sélectionnées pour convertir efficacement la biomasse lignocellulosique en produits chimiques d'intérêt industriel.
S'inspirant du fonctionnement du rumen bovin et s'appuyant sur d'études antérieures de Toulouse Biotechnology Institute en ingénierie des consortia microbiens, ainsi que de l'expertise de l'University of Innsbruck dans la culture de champignons anaérobies, ce projet de thèse vis à développer des consortia anaérobies innovants, simplifiés et contrôlables, capables de décomposer efficacement la biomasse lignocellulosique en molécules cibles grâce à un bioprocédé consolidé. Ces consortia associeront des souches fongiques cellulolytiques anaérobies sélectionnées à des bactéries lignocellulolytiques, notamment des espèces de Clostridia capables de produire les molécules cibles. In the natural environment, complex bioconversions are generally performed by multi-species microbial consortia rather than by single strains, as different populations contribute to complementary metabolic pathways. It is well established that microbial diversity enhances ecosystem productivity; nevertheless, functional diversity plays a more important role than taxonomic richness [1]. Microbial consortia operate on the principle of the division of labour' [2], whereby different populations carry out complementary activities that foster synergies and cooperation amongst community members. Furthermore, it is accepted that the efficiency of each species' key functional traits determines ecosystem performance [3]. Microbial consortia therefore represent an extremely promising alternative to monocultures for the development of new synthetic cell factories and competitive biotechnological processes.
To achieve high conversion rates and product selectivity, it is essential to control the large number of microbial species and metabolic pathways within these microbial consortia, which remains a major challenge [4]. To address this limitation, there is growing interest in the design of simplified synthetic consortia, comprising a minimal number of functionally complementary species, designed to express phenotypes that are effective for each defined function.
The PhD project propose a rational bottom-up' and division of labour' approach is proposed to design highly functional anaerobic microbial consortia comprising a minimal number of species, with the aim of converting lignocellulosic residues into valuable molecules. Inspired by the rumen ecosystem, the PhD project aims to design simplified anaerobic consortia, comprising key anaerobic cellulolytic fungi, selected rumen-derived acetogenic bacteria (identified in previous studies conducted at TBI[5, 6] and/or present in Microorganism Collections), and Clostridia species, such as Clostridium beijerinckii, C. acetobutylicum and C. kluyverii, capable of producing valuable molecules.
The objective is to create innovative, simplified anaerobic consortia that are highly efficient at converting lignocellulose into medium-chain-length carboxylates (MCC). These molecules are of particular interest as they have multiple applications as biofuels, food additives, flavourings and cosmetic products (EC No 1831/2003)[7]. Finally, they possess antimicrobial properties [8, 9] which allow them to be used as natural food preservatives.
(i) to understand the mechanisms governing lignocellulose deconstruction by defined synthetic microbial consortia
(ii) to develop new approaches for lignocellulose transformation to enhance the production of valuable molecules in consolidated bioprocess and, finally
(iii) to develop a biomimetic approach to design synthetic, simplified and controllable microbial consortia.
With the objective to develop simplified synthetic consortia comprising anaerobic fungal and bacterial strains with predictable and controlled outputs, this PhD project combines controlled anaerobic bioreactors experiments with a detailed characterization of secretome profiles by metaproteomics and actual enzymatic activities. The PhD project will start by the screening of several anaerobic fungal species for their ability to deconstruct lignocellulosic biomass in controlled bioreactors [5]. Their ability to degrade lignocellulosic biomass (wheat straw) will be chemically characterized whilst determining main ligocellulolytic enzymes activities [5, 10]. A detailed temporal characterization of their secretome will also be performed to get understanding of the main enzymes produced along the process[11].
In a second stage, based on the cultures conditions that favors the ligninocellulolytic activity of the most promising fungal strains (determined previously), the activity and viability of selected rumen-derived bacterial strains and selected Clostridia will be assessed. It will enable to determine the most promising bacterial strains displaying complementary activities and able to grow in the same conditions than anaerobic fungi. Finally, the selected fungi, bacteria and Clostridia will be assembled to evaluate their capacity to deconstruct lignocellulosic biomass accumulate targeted products (MCC). In parallel, lignocellulolytic enzymatic activities will be quantified and metaproteomic analyses will be conducted to elucidate the interaction existing within these defined synthetic consortia.