Thèmes de recherche

1. Qu’est-ce que la photosynthèse ?

Les microalgues transforment efficacement l’énergie solaire en biomasse grâce à la photosynthèse, en utilisant l’eau et le gaz carbonique comme ressources principales. Ces micro-organismes synthétisent des molécules d’intérêt utilisables pour l’élaboration de biocarburants (biohydrogène, biodiésel, biokérosène…) ou de composés biosourcés pour la chimie.
Les recherches développées au laboratoire visent à comprendre les mécanismes biologiques de conversion et de stockage de l’énergie solaire en composés riches en énergie (lipides, hydrocarbures, amidon, hydrogène …) et à en identifier les verrous en vue d’applications biotechnologiques.

1.1 Photosynthèse et production d'hydrogène

La photosynthèse est un mécanisme biologique hautement régulé qui convertit l’énergie solaire et le CO2 atmosphérique en biomasse. Nos recherches visent à comprendre les régulations de la photosynthèse en vue d’une domestication de ce processus pour une production optimisée de biomasse ou de composés riches en énergie (hydrogène, amidon, lipides…). Les recherches sont principalement menées sur la microalgue modèle Chlamydomonas reinhardtii.

1.2 Régulation de la photosynthèse

Des approches de génétique formelle basées sur le criblage haut-débit de mutants sont développées pour identifier des mutants affectés dans des mécanismes nouveaux de régulation de la photosynthèse. Différents cribles, basés sur l’analyse de la fluorescence de la chlorophylle ou sur l’analyse des capacités de stockage de réserves carbonées, ont été mis en place au laboratoire. L’analyse phénotypique des mutants par des approches multidisciplinaires permet d’appréhender la fonction physiologique des gènes d’intérêt.

1.3 Photoproduction d'hydrogène

Certaines micro-algues (comme Chlamydomonas reinhardtii) ont la capacité de produire de l’hydrogène grâce à une hydrogénase en interaction avec la chaîne photosynthétique de transport d’électrons. Dans la nature, la photo-production d’hydrogène est un phénomène transitoire utilisé pour évacuer le pouvoir réducteur généré en excès. Les recherches visent à comprendre les voies de transfert d’électrons impliquées dans la photoproduction d’hydrogène, leurs régulations et limitations, en vue de développer des applications biotechnologiques.

2. Métabolisme des lipides de réserve

Les microalgues ont une forte capacité à synthétiser les acides gras et à les accumuler sous forme de réserves en huile (jusqu’à 50 % de leur poids sec). Les acides gras (ou dérivés) extraits de la biomasse algale ont des applications potentielles importantes dans les biocarburants (biodiesel, biopétrole), la nutrition humaine (acides gras polyinsaturés dits oméga 3) et la chimie verte (synthons pour des biopolymères, lubrifiants, etc.). Cependant, des verrous biologiques majeurs restent à lever pour assurer la rentabilité de la filière. Ainsi, l’accumulation d’huile dans les microalgues n’intervient qu’en conditions de stress, notamment une carence nutritive, ce qui limite la croissance cellulaire et donc les productivités en biomasse et en huile. De plus, les applications biocarburants et nutrition humaine requièrent une amélioration de la « qualité » de l’huile de microalgue, c’est-à-dire une optimisation de la composition en acides gras, adaptée à chaque cas.

Les recherches menées ont pour but de comprendre les voies de synthèse des lipides de réserve (triacylglycérols) et leurs régulations en relation avec les conditions environnementales (lumière, carence en azote, etc.) et le métabolisme énergétique (photosynthèse). Elles sont menées principalement chez la microalgue modèle Chlamydomonas reinhardtii. Les travaux sont basés sur une approche de génétique formelle visant à isoler des mutants affectés dans leurs capacités à accumuler ou à déstocker l’huile dans diverses conditions de culture (notamment en condition de croissance optimale), ainsi que des mutants dont le profil d’acides gras est modifié. Le criblage des mutants est réalisé par des méthodes haut-débit (cytomètre en flux, GC-MS avec préparation automatisée des échantillons). Après identification de gènes d’intérêt et caractérisation fine des mutants isolés par analyse lipidomique (LC-MS/MS), des stratégies innovantes d’amélioration de la teneur en huile et de sa qualité sont proposées.

3. Biosynthèse et fonction des hydrocarbures (alcanes, alcènes)

A l’instar de nombreux organismes, les microalgues et les cyanobactéries sont capables de synthétiser des hydrocarbures à partir des acides gras constituant leurs lipides (membranaires ou de réserve). Alcanes et alcènes linéaires sont des composants importants des carburants fossiles. Leur synthèse et leur excrétion dans le milieu de culture, permettrait de s’affranchir des étapes coûteuses de récolte de la biomasse, d’extraction de l’huile et de conversion en biodiesel. Les recherches menées au laboratoire ont pour but i) d’élucider la fonction biologique des hydrocarbures (alcanes, alcènes) produits naturellement par les microalgues et les cyanobactéries ii) d’identifier les enzymes permettant la biosynthèse des hydrocarbures iii) d’étudier les propriétés, le mécanisme et les relation structures-fonction de ces enzymes et iv) d’exploiter l’ensemble de ces connaissances pour explorer les applications biotechnologiques visant à produire des hydrocarbures biosourcés. Nos travaux ont notamment permis d’identifier la première enzyme de microalgue permettant la synthèse d’hydrocarbures (fatty acid photodecarboxylase, FAP).

Image : illustration d’étapes principales du photocyle de la FAP. Ce biocatalyseur est une photoenzyme
car il utilise uniquement l’énergie lumineuse pour réaliser sa réaction de conversion des acides gras en hydrocarbures.

Nos recherches sur la conversion enzymatique d’acides gras s’étendent aussi à des enzymes permettant la fonctionnalisation des acides gras. Ces travaux, aussi menés en vue d’applications en chimie verte, visent à identifier chez les microalgues ou les plantes de nouvelles enzymes permettant l’introduction de groupements fonctionnels (hydroxy, époxy, etc.) à des positions particulières de la chaîne carbonée des acides gras.

Responsable d'équipe

Constitution de l'équipe

Le laboratoire est composé de 4 chercheurs, de 8 ingénieurs et techniciens, ainsi que d’étudiants, post-docs et contrats à durée déterminée.

Mots clés

Lipid; Lipidomics; Fatty acids; Lipid droplet; Hydrocarbons
alkanes; Bio-hydrogen; Photosynthesis; Photoenzyme
Energy trafficking; Carbon metabolism; Genetic engineering; Synthetic biology; Chlamydomonas reinhardtii; Nannochloropsis sp