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DEVELOPPEMENTS RECENTS EN BIOTECHNOLOGIES INDUSTRIELLES
Pierre MONSAN
JOURNEE TECHNIQUE BIOPROCEDES
Lyon 02/07/2015
CONSOMPTIBLE
1
CONSOMPTIBLE
Qui se détruit par l’usage qu’on en fait !
2
CONSOMPTIBLE
Qui se détruit par l’usage qu’on en fait !
CARBONE FOSSILE
3
LES ÉMISSIONS DE CO2
4
NON CONSOMPTIBLE
5
NON CONSOMPTIBLE
Qui se renouvelle constamment!
6
CONSOMPTIBLE
Qui se renouvelle constamment !
CARBONE RENOUVELABLE
7
CARBONE RENOUVELABLE
8
PRODUITS AGRICOLES
9
CO-PRODUITS AGRICOLES, FORÊT, DÉCHETS
10
BIOTECHNOLOGIES INDUSTRIELLES
11
12
OUTILS BIOLOGIQUES
• Enzymes� Ingénierie Moléculaire
• Microorganismes� Ingénierie métabolique
� Biologie synthétique
• Consortia microbiens
13
INGENIERIE MOLECULAIRE
INGÉNIERIE MOLÉCULAIRE
• Mutagénèse dirigée
• Ingénierie aléatoire
• Ingénierie rationnelle
• Création de nouvelle activités catalytiques
15
Outils et Stratégie de l’Ingénierie Métabolique
Pilot lab-scale
Valider l’efficacitéde la voiemétabolique choisiein silico
Optimiser la voie biologiqueallant de la matière premièreau produit
Construire la bactérie qui utilise cette voie métabolique
Du produit à la meilleure bactérie
Quantifier les modifications réalisées pour savoir ce qui doit être fait après
Bioinformatique
Identifier la meilleure voie biologique
Construction de la souche recombinante
Biologie moléculaire
Flux métaboliques
INGENIERIE METABOLIQUE
Une approche de biologie intégrative dédiée à l’analyse du métabolisme à l’échelle du système biologique
Métabolomique
« La Biologie de synthèse est l’ingénierie de composants et de systèmes biologiques qui n’existent pas dans la nature et la réingénierie d’éléments biologiques existants; elle porte sur la conception intentionnelle de systèmes biologiques artificiels ».
IMPACT DE L’INGÉNIERIE MÉTABOLIQUE POUR LES BIOTECHNOLOGIES BLANCHES
Ressources renouvelables
Produit final d’intérêt industriel
Production à :- rendement maximal- vitesse de production maximale- forte concentration
Microorganismes=Usines cellulaires
Objectif : Amélioration dirigée de la synthèse d’un produit par lamodification de voies métaboliques existantes oul’introduction de nouvelles voies métaboliques
HYDROCORTISONE
21
Synthèse totale d’un médicament par une levure
• Voie de production actuelle : hémisynthèse- nombreuses étapes de conversion chimique et une
étape de bioconversion impliquant un microorganisme
naturel
- à partir d’acides biliaires ou de phytostérols
� procédé complexe, coûteux, générateur de
sous produits
• Biosynthèse totale
ETHANOL
HYDROCORTISONE
� production d’un médicament de façon autonome à
partir de sources de carbone simples (alcool, sucre) et
d’oxygène.
enzymes de l’homme/
bœuf/ plantes
enzymes de la levure
optimisées
Voie principale
Réactions parasites
Réactions secondaires
HydroCortisone
17a-20a-dihydroxypregn-4-ene-3-one
Pregnenolone acetate
Corticosterone
11-deoxycortisol
Hydrocortisone
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
(36%)(60%)
(52%)
(69%)
Effect of side reaction controlon steroid yield
Strain A Strain B Strain C Strain D
ARTEMISININE
25
Up to 100mg/L yeast
ACIDE SUCCINIQUE
28
ACIDE SUCCINIQUE
• REVERDIA : ROQUETTE / DSM à CassanoSpinola, Italie (10 kt/an)
• BioAmber : JV avec MITSUI & Co. à Sarnia, Canada (30 kt/an)
Accords de fourniture avec OLEON et VINMAR• MYRIANT : Lake Providence, Louisiane
(15 kt/an)• SUCCINITY : BASF / PURAC
(10 kt/an)
30
1,3-PROPANEDIOL
• DuPontEx-glucose
• Metabolic ExplorerEx-glycérineLicence SK Chemicals (Corée)
31
ISOBUTENE
32
LES BIORAFFINERIES
• carbone renouvelable
• Intégration agriculture/industrie
• Valorisation de la plante entière
• « craquage » végétal
• applications alimentaires et non-alimentaires
BIORAFFINERIES 2G
37
RETROSYNTHESE
38
RETROSYNTHESE
39
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TOULOUSE WHITE
BIOTECHNOLOGY
Démonstrateur préindustriel
Ver
sion
du
26 m
ai 2
015
PARTENAIRES DU CONSORTIUM
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Partenaires industriels
Partenaires investisseurs / valorisation
Partenaires publics
CHIFFRES CLES 2012-2014
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0
10
20
30
40
50
60
70
janv.-12 avr.-12 juil.-12 oct.-12 2013 2014
66 collaborateurs
SYNTHesis of Value-Added Chemicals from
renewable resources
SYNTHACs
Construction of a Synthetic Metabolic Pathway for
Production of 2,4-Dihydroxybutyric Acid
Thomas Walther, H. Cordier, A, Baylac, Ch. Topham, C. Auriol, R. Irague, I. André, M.
Maestracci, R. Huet, M. Remaud-Simeon & Jean M. François
Market figures for methionine
- major application is animal nutrition (poultry feed)
- annual production: ~ 800 000 t
- market volume: ~ 2.5 - 3 billion US $
- annual growth > 5 %
Economic interest of DHB: readily convertable to methionine
- 100 % petrol-based production
-> possible to replace chemical synthesis by
fermentation processes ?
(L)-2,4-DHB (L)-homoserine
HMTB(methionine hydroxy analogue)
?
NAD(P)
NAD(P)H
(L)-aspartate
4-phospho-(L)-
aspartate
(L)-aspartate-4-
semialdehyde
aspartate
kinase
aspartate
semialdehyde
dehydrogenase
homoserine
dehydrogenase
ATP
ADP
NADPH
Natural pathway for
homoserine biosynthesis
NADP, Pi (=PO4)
+ CH3SH
(chemical incorporation)
(L)-2,4-DHB (L)-homoserine
HMTB(methionine hydroxy analogue)
NAD(P)
NAD(P)H
(L)-aspartate
4-phospho-(L)-
aspartate
(L)-aspartate-4-
semialdehyde
aspartate
kinase
aspartate
semialdehyde
dehydrogenase
homoserine
dehydrogenase
ATP
ADP
NADPH
Natural pathway for
homoserine biosynthesis
NADP, Pi (=PO4)
(L)-malate
+ CH3SH
(chemical incorporation)
(L)-2,4-DHB (L)-homoserine
HMTB(methionine hydroxy analogue)
NAD(P)
NAD(P)H
(L)-aspartate
4-phospho-(L)-
aspartate
(L)-aspartate-4-
semialdehyde
aspartate
kinase
aspartate
semialdehyde
dehydrogenase
homoserine
dehydrogenase
ATP
ADP
NADPH
Natural pathway for
homoserine biosynthesis
NADP, Pi (=PO4)
(L)-malate-4-
semialdehyde
(L)-malate
ATP
ADP
NADPH
NAD(P)
NAD(P)H
4-phospho-
(L)-malate
malate
kinase
malate
semialdehyde
dehydrogenase
DHB
dehydrogenase
NADP, Pi (=PO4)
+ CH3SH
(chemical incorporation)
(L)-2,4-DHB
(L)-malate-4-
semialdehyde
(L)-malate
ATP
ADP
NADPH
NAD(P)
NAD(P)H
4-phospho-
(L)-malate
malate
kinase
malate
semialdehyde
dehydrogenase
DHB
dehydrogenase
NADP, Pi (=PO4)
Enzymatic activities:
Malate kinase, MSA dehydrogenase, DHB dehydrogenase
(=MSA reductase) have not been reported
Pathway intermediates:
4-phosphomalate, malate-4-semialdehyde, (DHB) have not
been reported
-> Synthetic Biology approach to
implement artificial pathway
Technological problems ?
-> Recombinatorial approach impossible
CARBOYEAST
51
CARBOYEAST
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CARBOYEAST
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