Thèse Décrypter les Microbiomes des Insectes Xylophages par des Approches Chimique Métagénomiques et Métaprotéomiques pour la Découverte d'Enzymes Ligninolytiques 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 Les bioraffineries des lignocelluloses de deuxième génération présentent un fort potentiel pour la production durable de biocarburants, de produits chimiques et de biomatériaux, en remplacement des ressources fossiles. Cependant, dans les bioraffineries actuelles, la lignine est considérée comme un sous-produit industriel d'utilité limitée et est principalement brûlée comme source d'énergie. Néanmoins, la durabilité des bioraffineries lignocellulosiques dépend fortement de la valorisation complète de la biomasse végétale, y compris sa fraction lignine.
Dans la nature, le recyclage de la biomasse lignocellulosique est assuré par des consortia microbiens lignocellulolytiques, qui sont chargés de recycler le carbone issu des résidus végétaux. De tels écosystèmes sont présents, par exemple, dans le microbiome intestinal des insectes xylophages. Ces consortia présentent une grande diversité génétique et métabolique, qui peut être exploitée pour valoriser la lignocellulose y compris sa fraction lignine.
Afin de transformer la lignine, la fraction ligninolytique des microbiomes d'insectes xylophages peut être enrichie dans des bioréacteurs contrôlés à l'aide de substrats spécifiques. Ces consortia ligninolytiques enrichis abritent un large éventail de gènes impliqués dans la transformation du substrat cible. Ils constituent donc une ressource inexploitée de micro-organismes et de nouvelles enzymes naturellement adaptées, qui pourraient servir de « modèle naturel d'assemblage enzymatique » pour définir un nouveau paradigme utile à la conception de cocktails enzymatiques. Cependant, malgré l'intérêt croissant porté au potentiel métabolique des consortia microbiens pour la valorisation de la biomasse, leurs membres fonctionnels, ainsi que les gènes et les enzymes impliqués dans la transformation de la lignine, n'ont pas encore été élucidés et leur véritable potentiel n'est pas pleinement exploité.
L'objectif de ce projet de thèse est de contribuer au développement des procédés de bioconversion de la lignocellulose en élucidant l'activité de dégradation de la lignine des microbiomes d'insectes xylophages mis en oeuvre dans des bioréacteurs contrôlés. En combinant une caractérisation chimique approfondie et une analyse multi-omique, ces travaux fourniront une vision globale des mécanismes impliqués dans la dégradation de la lignine. Notre deuxième objectif est, grâce aux données méta-omiques obtenues, d'identifier les gènes impliqués dans la modification de la lignine au sein de ces consortia présentant une forte activité de dégradation de la lignine. À partir de leurs données de séquençage, les gènes impliqués dans la modification de la lignine seront synthétisés, clonés et exprimés dans des hôtes appropriés. L'activité des consortia ligninolytiques enrichis issus des microbiomes d'insectes, ainsi que celle de leurs enzymes de dégradation de la lignine, sera caractérisée en détail à l'aide de molécules modèles de lignine et de lignine polymérique.
La collaboration entre les chercheurs de Toulouse Biotechnology Institute, spécialisés dans l'étude multi-omique des consortiums microbiens lignocellulolytiques, et ceux de Wageningen University & Research, experts dans la caractérisation chimique approfondie de la lignine, réunit deux laboratoires aux compétences complémentaires. Ce partenariat, fondé sur des objectifs de recherches conjoints clairement définis, favorisera des synergies scientifiques et contribuera à réussite de ce projet doctoral, hautement pertinent pour le développement de la bioéconomie.
Lignin is the major aromatic component of plant cell walls, accounting for 10-35% of lignocellulosic biomass. Lignin is extremely resistant to chemical and biochemical degradation, representing also a barrier that limits access to lignocellulosic polysaccharides useful for the production of biofuels and other value-added chemicals.
With the urgent need to increase cost competitiveness of second-generation lignocellulose biorefineries with a complete valorisation of plant biomass, the study of lignin degradation and the identification of novel catalysts for lignin valorisation have gained interest for the scientific and technological communities. Lignin can be considered as a cheap raw material that could be valorised via the production of value-added aromatic products currently produced from fossil resources. This research not only aims to mitigate the negative impact of the lignin barrier but also to explore new valorisation pathways for lignin. Recent studies estimated that producing chemicals from lignin would yield at least 10 times more value that that derived from burning it for electricity production [1, 2].
Xylophagous insects such as termites, beetles, carpenter moths, carpenter ants and capuchins, use plant cell walls as a main food sources, including those from hard woody substrates and lignocellulosic materials [3]. Their gut microbiomes have therefore evolved under strong selective pressure to deconstruct rich lignin substrates. These ecosystems harbour complex microbial consortia where their enzymes may act synergistically to degrade lignin to access to lignocellulose polysaccharides. Although the ligninolytic capabilities of termite microbiomes have been evidenced by our group and others [4], the lignin-degrading potential of most xylophagous insect microbiomes remain poorly understood and largely underutilized.
Enriching and characterizing such lignocellulolytic microbiomes represents an attractive eco-friendly source for biocatalysts and novel enzymes for biomass deconstruction to improve lignin valorization. The use of microbial consortia enriched and selected for their ligninolytic capacity in controlled bioreactors, using specific substrates and controlled culture conditions, has been proposed as an promising industrial tool for the cost-competitive bioconversion of biomass [5]. This approach generates less complex microbial assemblages, concentrating the metabolic diversity needed for lignin transformation. Besides enabling the creation of a minimized system that mimics natural ecosystems, this approach may also facilitate the identification of lignin-active enzymes, leading to the discovery of novel enzymes. This circumvents extensive sequencing efforts generally needed for natural ecosystems displaying a large diversity but not a specialized activity.
Microbial consortia, particularly those showing a real lignin conversion capacity, determined by in-depth chemical characterization, could thus represent an important reservoir of biocatalysts with novel genes encoding lignin-modifying enzymes, useful for the development of efficient biorefinery processes. Therefore, the objective of this PhD project is to contribute to biorefinery technology by elucidating the lignin degrading activity of microbial consortia from xylophagous insects' microbiomes, implemented and enriched in controlled bioreactors, and to capture their lignin-modifying genes using meta-omics approaches.
Our objectives in this PhD project are:

(i) to characterise the lignin conversion activity of gut microbiomes from xylophagous-insect implemented in controlled bioreactors,
(ii) to identify the microorganisms and enzymes involved in lignin degradation applying metagenomics and metaproteomics approaches
(iii) to understand the mechanisms governing lignin deconstruction in insect gut microbiomes
Driven by the goal to develop new lignin valorization routes, this PhD project combines experiments in controlled bioreactors, in-depth chemical analysis of lignin with detailed metagenomic and metaproteomic characterization of ligninolytic microbial consortia derived from xylophagous-insect microbiomes. The project will start with the implementation of ten xylophagous-insect microbiomes selected for their ability to use lignin rich substrates as main food source. These microbiomes will be implemented in controlled bioreactors, to determine their lignin degradation capacity under industrially-relevant conditions [4]. The characterization of the lignin substrate [6] before and after the microbial activity will be performed to have a detailed view of their degradation potential. In parallel, the lignocellulose and lignin-related enzymatic activities [4, 7] will be determined to evaluate their catalytic potential over specific lignin model molecules under defined conditions. This first stage will provide detailed information on the lignin degradation ability of these gut microbiomes.
In a second stage, the genetic potential of the most promising lignocellulolytic consortia will be determined by shotgun sequencing and metaproteomic analysis [8]. These omics-data will enable to identify the main ligninolytic members and genes associated to the ligninolytic activity. The most relevant putative lignin-degrading genes will be synthetized, cloned and expressed in appropriate hosts. The ligninolytic activity of these enzymes will be then assessed using lignin-model compounds and relevant polymeric lignin substrates.