La bioproduction de molécules d’intérêt en châssis microbien unicellulaire se heurte à un plafond imposé par le fardeau métabolique, la toxicité des intermédiaires et l’intégration de voies hétérologues de plus en plus complexes. La répartition d’une voie de biosynthèse entre plusieurs souches spécialisées au sein d’un consortium synthétique permet de dépasser cette limite, mais son exploitation reste conditionnée au maintien de populations stables au cours de la culture. Parmi les stratégies de contrôle existantes, la syntrophie est un mécanisme passif qui repose sur des auxotrophies complémentaires et sur l’échange de métabolites essentiels. L’objectif de ce travail de thèse est d’établir et de caractériser des consortia syntrophiques mono-espèces chez la levure Y. lipolytica, puis d’en démontrer l’applicabilité en bioproduction à travers la synthèse d’un pigment, la bétanine.

Une collection de 19 auxotrophes a d’abord été élaborée à partir d’une sélection rationnelle de gènes cibles. Le criblage par la croissance des 171 combinaisons possibles de paires d’auxotrophes a permis d’identifier 56 consortia syntrophiques viables, constituant la plus vaste collection décrite à ce jour chez une levure.

La caractérisation de ces consortia a ensuite mis en évidence des profils de croissance distincts, reflétant des cinétiques d’établissement et de maintien de la syntrophie très variables. Le suivi des sous-populations a révélé une propriété centrale de ces consortia, à savoir la convergence de la composition finale vers un équilibre reproductible et propre à chaque paire, indépendant du ratio d’inoculation initial, lequel n’affecte que la cinétique d’établissement de la syntrophie.

Les paires les plus prometteuses ont ensuite été mobilisées pour la production de bétanine, un colorant alimentaire naturel dérivé de la tyrosine. En monoculture, l’insertion d’une cassette de 3 gènes hétérologues (la cassette bétanine (B)) dans la levure suffit à produire le pigment, et le renforcement du flux de précurseur par l’expression d’une cassette tyrosine (T) a permis de maximiser sa production. Un plafond du titre de bétanine a toutefois été atteint dès deux copies de la cassette B, signe d’un fardeau métabolique. Pour remédier à cela, la voie métabolique a donc été répartie entre deux souches au niveau du nœud de production de la tyrosine afin de permettre une production en co-culture. Plusieurs répartitions du fardeau métabolique ont été testées en jouant sur la répartition des cassettes B et T entre les souches. Le contrôle syntrophique par les paires ∆aro7-∆trp2 et ∆aro7-∆trp4 a permis de stabiliser les co-cultures, sujettes à une dérive des populations observable en l’absence d’auxotrophies. La configuration dans laquelle les deux partenaires du consortium portent la cassette B s’est révélée supérieure. La meilleure paire, BB:∆aro7–BT:∆trp4, a atteint 104,4 mg/L de bétanine en tubes à essais puis 147,8 mg/L en microbioréacteur, soit 1,66 fois le titre de la meilleure monoculture associée. Il s’agit de la première production de bétanine au sein d’un consortium syntrophique.

Les facteurs limitant ces consortia syntrophiques ont enfin été explorés. Les besoins en métabolites se sont révélés très hétérogènes au sein de la collection d’auxotrophes. Augmenter la complexité du milieu de culture a permis de réduire la latence syntrophique sans compromettre la stabilité du consortium. D’autres stratégies, incluant la surproduction du métabolite échangé entre les souches et l’expression d’un transporteur d’acides aminés, ont permis une meilleure croissance et/ou production de bétanine dans les consortia.

Ces travaux fournissent un large répertoire de consortia syntrophiques caractérisés chez Y. lipolytica et démontrent l’intérêt de la répartition métabolique lorsque le fardeau devient limitant en monoculture. Cette plateforme peut être étendue à la production d’autres dérivés de la tyrosine en tirant parti de la modularité de tels consortia.