Études structurelles et fonctionnelles des mécanismes liés à la tolérance au butanol chez les espèces solvogènes de Clostridia

Les carburants écologiques produits à partir de la biomasse (biocarburants) constituent une solution de rechange attrayante à la production d’énergie à partir de sources non renouvelables. Le biobutanol est un biocarburant de prochaine génération prometteur et un additif pour biocarburants parce qu’il présente une teneur élevée en énergie, une bonne efficacité de combustion et d’excellentes propriétés de mélange avec l’essence. Les espèces de Clostridium solventogéniques (CS) sont un groupe de microorganismes anaérobies qui utilisent une voie métabolique pour convertir des hydrates de carbone en acétone, en butanol et en éthanol. La fermentation de ces solvants suscite beaucoup d’intérêt en tant que concurrente viable et économique de la production d’acétone et de butanol par les industries pétrochimiques. Malgré l’identification et la caractérisation des gènes individuels qui régissent cette voie métabolique, les mécanismes cellulaires de détection du butanol, ainsi que les mécanismes adaptatifs sous-jacents, favorisant la survie et la croissance, demeurent mal compris. La faible tolérance de CS à des concentrations élevées de butanol demeure l’un des principaux obstacles à la production de butanol à l’échelle industrielle. Récemment, une analyse transcriptomique comparative a révélé une surrégulation importante d’une grappe de gènes préservés en réponse à la contrainte du butanol. Les gènes associés à la tolérance au butanol répertoriés transcrivent pour un exportateur de cassettes liant l’adénosine triphosphate aux côtés d’un système de régulation à deux composants. La surexpression des protéines a entraîné une augmentation du taux de croissance et de la production de solvants dans des conditions de contrainte du butanol. Par conséquent, une caractérisation biochimique et structurelle approfondie de ce module de gènes liés à la tolérance au butanol est une avenue prometteuse pour l’ingénierie de souches d’améliorées de façon à pouvoir supporter la contrainte croissante du butanol pendant la fermentation à l’échelle industrielle.

Ce projet se vise à caractériser la relation structure-fonction de la nouvelle grappe de gènes liés à la tolérance au butanol par des méthodes perfectionnées de biochimie et de biologie structurelle. Une compréhension détaillée de ce module moléculaire affichant une tolérance au butanol permettra de mieux comprendre les mécanismes adaptatifs sous-jacents qui favorisent la survie et la croissance pendant la contrainte du butanol au niveau atomique. Les résultats obtenus dans le cadre de ce projet serviront de pierre angulaire à la conception rationnelle de souches améliorées qui sont requises pour réaliser une fermentation industrielle efficace. En retour, ces souches améliorées auront un impact profond sur l’industrie du biobutanol qui utilise des ressources renouvelables et est de qualité supérieure à la production chimique de butanol. Nos constatations feront également progresser les connaissances limitées sur les mécanismes biochimiques, les modes d’action des exportateurs de cassettes liant l’adénosine triphosphate et les systèmes de régulation à deux composants connexes. Dernièrement, l’utilisation des multiples techniques biochimiques, de biologie structurale et microbiologiques de pointe dans le cadre du projet proposé permettra à mes stagiaires d’acquérir des compétences très utiles qui seront pertinentes pour le milieu universitaire et l’industrie et qui contribueront à l’économie au Canada.