Identification of the mechanism of mixotrophy in Phaeodactylum tricornutum
Identification du mécanisme de la mixotrophie chez Phaeodactylum tricornutum
Résumé
Diatoms are photosynthetic organisms with a strong influence on the global biogeochemistry. Moreover, they are extremely interesting as potential feedstocks for the production of high-value molecules and biofuel. They are endosymbiotic organisms originated by the fusion of a heterotrophic ancestor with one or more photosynthetic microalgae. This has led to an extremely flexible cell metabolism. Like other microalgae, diatoms are able to grow in the presence of both light and of a reduced carbon source. The simultaneous use of photosynthesis and respiration can increase biomass productivity and reduce the energy cost of the industrial exploitation of diatoms.In this project, the mechanism and the consequences of mixotrophic metabolism have been studied in the model diatom Phaeodactylum tricornutum. In the first part, I have studied the molecular mechanism governing the interactions between chloroplast and mitochondrion. We have demonstrated that the NADPH generated in the plastid is exported to the mitochondrion to generate additional ATP, which, once back to the plastid, is used for carbon fixation. Overall, this work shows that the interaction between these two organelles increases carbon fixation and growth in diatoms. We hence suggest that the simultaneous use of carbon and light energy sources (i.e. mixotrophy) should enhance biomass productivity in diatoms. This hypothesis has been tested in the second part of my thesis, where I focused on the consequences of mixotrophy on metabolism. By combining metabolomic, transcriptomic, lipidomic and physiology approaches, I have contributed to elucidate the main pathways targeted by mixotrophy (central carbon, lipid and storage carbon metabolism). In the last part of this work, I have worked on improving the culture conditions and medium composition to boost microalgal productivity by mixotrophy. These conditions have been scaled-up in lab scale photobioreactors, revealing the industrial exploitation potential of Phaeodactylum.
Les diatomées jouent un rôle primordial dans l'écologie de la planète, car elles sont responsables du 20-40% de la productivite mondial d’oxygène. Elles figurent parmi les organismes à fort potentiel biotechnologique pour des applications biocarburant. Les diatomées sont des organismes symbiotiques issus de la fusion d'un ancêtre hétérotrophe avec une ou plusieurs micro-algues photosynthétiques. Grace à cette histoire évolutive complexe, les diatomées ont un métabolisme très flexible. Comme la plus part des microalgues elles peuvent utiliser la photosynthèse pour leur croissance, mais aussi la mixotrophie, i.e. la capacité de croître en présence de lumière et d’une source de carbone réduit. L'utilisation simultanée de la photosynthèse et de la respiration peut augmenter la productivité de la biomasse des microalgues et réduire ainsi le coût de leur exploitation industrielle. Dans cette thèse j’ai étudié le mécanisme et les conséquences du métabolisme mixotrophique chez la diatomée modèle Phaeodactylum tricornutum. J’ai contribué à étudier le mécanisme moléculaire à la base des interactions énérgétiques entre chloroplaste et mitochondrie. Dans ce travail, nous avons démontré que le NADPH généré dans le chloroplaste est exporté vers la mitochondrie pour générer de l’ATP requis pour la fixation du CO2 dans le chloroplaste. Cette interaction entre les deux organites cellulaires augmente la croissance de diatomées, et suggère que l'utilisation simultanée d’une source de carbone et de l'énergie lumineuse (mixotrophie) devrait augmenter la productivité de la biomasse chez les diatomées. Cette hypothèse a été testée dans la deuxième partie de ma thèse, où j’ai etudié les conséquences de la mixotrophie sur le métabolisme de Phaeodactylum. Grace à une approche métabolomique, transcriptomique, lipidomiques et de physiologie j’ai contribué à éclaircir les principales voies métaboliques (métabolisme centrale, métabolisme des lipides, métabolisme des polymères de réserve) concerné la mixotrophie. Dans la dernière partie de ce travail j’ai optimisé les conditions de culture et la composition du milieu afin d’améliorer la productivité en croissance mixotrophe chez Phaeodactylum. Ce résultat a été validé dans des photobioréacteurs à l'échelle labo pour tester le potentiel de l'exploitation industrielle de cet organisme.
Domaines
Biologie cellulaire
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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