Héloïse BALDO
soutiendra sa thèse
le Vendredi 10 Janvier 2025
à huis-clos
« Un bioprocédé éco-efficient pour la production directe du méthane en méthanol : compréhension mécanistique et voies d’optimisation »
Devant le jury composé de :
– Mme Claire JOANNIS-CASSAN, Professeure, Toulouse INP – ENSIACET – Rapporteure
– M. Étienne PAUL, Professeur, TBI INSA Toulouse – Rapporteur
– M. Saïd ASSOU, Ingénieur de recherche, IRMB Montpellier INSERM – Examinateur
– M. Maxime POINTIE, Professeur, Université d’Angers – Examinateur
– M. Éric TRABLY, Directeur de recherche, INRAE LBE Narbonne – Examinateur
– Mme Laurence SOUSSAN, Maître de conférences HDR, ENSCM – Directrice de thèse
Résumé:
Ce travail a étudié un procédé biotechnologique de valorisation du méthane en méthanol. A l’heure actuelle, cette oxydation est réalisée à l’échelle industrielle par des procédés chimiques multi-étapes consommateurs d’énergie et de sélectivité variable. Des voies alternatives plus durables sont donc à l’étude. Dans ce cadre, les bioprocédés mettant en œuvre des bactéries méthanotrophes font l’objet d’un intérêt accru. Ces bactéries ont pour particularité d’utiliser le méthane comme source de carbone et d’énergie. Elles sont capables notamment d’oxyder sélectivement le méthane en méthanol en une seule étape (réaction d’hydroxylation), à pression ambiante et température modérée (aux alentours de 30°C). Elles catalysent cette réaction grâce à l’enzyme Méthane MonoOxygénase (MMO), ne générant que de l’eau comme co-produit. Le méthanol est un métabolite intermédiaire des bactéries méthanotrophes, normalement suroxydé par l’enzyme Méthanol Déshydrogénase (MDH). Pour accumuler le méthanol dans le milieu de réaction (MR), il est donc nécessaire d’inhiber la MDH et d’ajouter un donneur externe d’électrons dans le MR. Le formiate, peu cher et pouvant être biosourcé, est le donneur le plus couramment utilisé.
Le développement de ce bioprocédé attractif est néanmoins freiné par un temps de production faible (de l’ordre de la dizaine d’heures), observé pour toutes les souches bactériennes ou bioréacteurs mis en œuvre. Les causes de cet arrêt de production ne sont pas encore élucidées à ce jour et sont le sujet de cette étude. Des hypothèses de limitations chimiques du procédé et des causes biologiques ont été avancées puis évaluées expérimentalement avec la souche méthanotrophe modèle Methylosinus trichosporium OB3b en réacteur fermé. Une étude omique (transcriptomique et protéomique) a par ailleurs été développée pour appréhender les phénomènes moléculaires mis en jeu. L’ensemble des résultats obtenus a permis d’identifier l’origine de l’arrêt de production en méthanol. Des solutions pour relancer l’activité hydroxylante des bactéries en cours de réaction ont été proposées. Ces solutions, qui ne sont pas détaillées dans ce résumé pour des raisons de confidentialité, ont pu être validées expérimentalement.
Mots clefs : méthane, méthanol, biohydroxylation, Methylosinus trichosporium OB3b, optimisation de procédés
Abstract
This work investigated a bioprocess valorizing methane (CH4) into methanol. This oxidation is currently performed at an industrial scale by multi-step, energy-intensive processes whose selectivity may vary. Alternative sustainable processes are hence to be explored, drawing attention to attractive bioconversions based on methanotrophic bacteria. These microorganisms have the ability to use methane as carbon and energy source. Their Methane MonoOxygenase (MMO) enzyme selectively catalyzes methane oxidation into methanol (i.e., hydroxylation) in a single-step reaction under ambient pressure and mild temperatures rounding 30°C. Water is the sole byproduct generated. Methanol is an intermediate metabolite in methanotrophic metabolism, oxidized by the Methanol DeHydrogenase (MDH) enzyme. Accumulating methanol in the reaction medium therefore requires to inhibit the MDH and supply an external electron donor. Inexpensive and potentially bio-sourced, formate is widely used for this purpose.
Further development of this appealing bioprocess is hampered by a short production time (about ten hours), encountered by all bacterial strains and bioreactor designs. The causes for this production stop are not elucidated up to day and represent the heart of this study. Chemical limitations and biological reasons have been hypothesized and experimentally tested. The model strain Methylosinus trichosporium OB3b was implemented in batch reactors. A multiomic (transcriptomic and proteomic) study was carried out to elucidate the molecular phenomena at stake during the desired bioreaction. The obtained results allowed to identify the causes of the methanol production stop. Several solutions for restarting M. trichosporium OB3b hydroxylating ability were considered and validated experimentally. For confidentiality purposes, these results may not be disclosed in this summary.
Keywords: methane, methanol, biohydroxylation, Methylosinus trichosporium OB3b, process optimization
