Modeling the metabolic switch in eukaryotic cells : application to citrate production in yeast Yarrowia lipolytica
Modélisation de la bascule métabolique chez les cellules eucaryotes : application à la production de citrate chez la levure Yarrowia lipolytica
Résumé
The main goal of this thesis project is to study and characterize mechanisms involved in respiratory to fermentative shift in eukaryotic cells endowed with mitochondrial metabolism. Eukaryotic cells have different oxygen requirements for energy production and survival in a given environment. They are described as strict aerobic when the presence of oxygen is necessary or optional aero-anaerobic in when oxygen is not essential for energy production. The yeast Yarrowia lipolytica was chosen as our study model thanks to its particularity since it is a strict aerobic microorganism with a high capacity to accumulate lipids and to produce organic acids. Experimental and analytical studies, using mathematical methods for modeling cell metabolism, allowed us to identify metabolic constraints involved in respiratory to fermentative transition in this yeast showing oxidative energy metabolism. Production of citric acid by Y. lipolytica, already reported in the literature, has been chosen as a marker for this in respiratory to fermentative shift. We found that the inhibition of the alternative oxidase protein (AOX) involved in mitochondrial respiration, by adding n-Propyl gallate (nPG) molecule improves the yield of citric acid production by fermentation of glucose in a Y. lipolytica culture. These results show that nPG, already used in food and pharmaceutical industry as a preservative, plays on respiratory to fermentative balance by inhibition of oxygen consumption and thus stimulates the production of citric acid. Modeling of the metabolic network of Y. lipolytica, described at genome-scale, by dynamic Flux Balance Analysis (FBA) has identified the accumulation of intracellular ROS (Reactive Oxygen Species) species as major levers for respiratory to fermentative shift and therefore the production of citric acid by Y. lipolytica. Therefore, our preliminary results show that oxidation of lipids accumulated by Y. lipolytica could be involved in generation of ROS species. This study must be experimentally deepened and constitutes an important contribution for the agri-food and pharmaceutical industry.Key words: Respiratory to fermentative shift, Citric acid, lipids, Yarrowia lipolytica, n-Propyl gallate, Reactive Oxygen Species, modeling, dynamic Flux Balance Analysis
L’objectif de ce projet de thèse est d’étudier et caractériser les mécanismes impliqués dans la bascule respiro-fermentaire chez des cellules eucaryotes dotées d’un métabolisme mitochondrial. Les cellules eucaryotes ont des besoins différents en oxygène pour la production d’énergie et leur survie dans un environnement donnée. Elles sont qualifiées de type aérobie stricte lorsque la présence d’oxygène leur est nécessaire ou aéro-anaérobie facultatif dans le cas où l’oxygène n’est pas indispensable à la production d’énergie. La levure Yarrowia lipolytica a été choisie comme modèle d’étude de par sa particularité à être un micro-organisme aérobie strict avec une grande capacité d’accumuler de lipides et de production d’acides organiques. Les études expérimentales et analytiques, par l’emploi de méthodes mathématiques de modélisation du métabolisme, ont permis d’identifier des contraintes métaboliques impliquées dans la transition respiro-fermentaire chez cette levure au métabolisme énergétique oxydatif. La production de l’acide citrique par Y. lipolytica, déjà rapportée dans la littérature, a été choisi comme un marqueur de cette transition respiro-fermentaire. Nous avons découvert que l’inhibition de la protéine oxydase alternative (AOX), impliquée dans la respiration mitochondriale, par la molécule n-propyl gallate (nPG) permet d’améliorer le rendement de production d’acide citrique par fermentation du glucose dans une culture de Y. lipolytica. Ces résultats montrent que la nPG, déjà utilisée dans l’industrie agro-alimentaire et pharmaceutique en tant que conservateur joue sur la bascule respiro-fermentaire par inhibition de la consommation d’oxygène et stimule ainsi la production d’acide citrique. La modélisation du réseau métabolique de Y. lipolytica, décrit à l’échelle du genome, par dynamic Flux Balance Analysis (dFBA) a permis d’identifier l’accumulation des espèces oxydantes dites ROS (Reactive Oxygen Species) comme un levier majeur de la bascule respiro-fermentaire et donc de la production d’acide citrique chez la levure Y. lipolytica. De plus, nos résultats préliminaires montrent que l’oxydation des lipides accumulés par Y. lipolytica pourrait être à l’origine de la génération des ROS. Cette étude doit être approfondie expérimentalement et constitue un apport important pour l’industrie agro-alimentaire et pharmaceutique.Mots clés : Bascule respiro-fermentaire, Acide citrique, lipides, Yarrowia lipolytica, n-propyl gallate, Reactive Oxygen Species, modélisation, dynamic Flux Balance Analysis
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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