Summary
Polyhydroxyalkanoates (PHAs) represent a family of polyesters naturally synthesized by a wide variety of bacteria. Through their thermoplastic and elastomeric qualities, together with their biodegradable and renewable properties, they are predicted to be a good alternative to the petroleum- derived plastics. Nevertheless, as PHA production costs using bacteria fermentation are still too high, PHA synthesis within eukaryotic systems, such as plants, has been elaborated. Although the costs were then efficiently lowered, the yield of PHAs produced remained low.
In this study, Saccharomyces cerevisae has been used as another eukaryotic model in order to reveal the steps which limit PHA production. These cells express the PHA synthase of Pseudomonas aeruginosa and the PHAs obtained were analyzed to understand the flux of fatty acids towards and through the peroxisomal β-oxidation core cycle, generating the main substrate of the PHA synthase. When S. cerevisiae wild-type cells are grown in a media containing glucose as carbon source as well as fatty acids, the PHA monomer composition is largely influenced by the nature of the external fatty acid used. Thus, even-chain PHA monomers are generated from oleic acid (18:1Δ9cis) and odd- chain PHA monomers are generated from heptadecenoic acid (17:1Δ. 10 cis). Moreover, PHA synthesis is dependent on the first two enzymes of the 0-oxidation core cycle, the acyl-CoA oxidase and the multifunctional enzyme enoyl-CoA hydratase II / R-3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase. S. cerevisiae mutant cells growing on oleic or heptadecenoic acid and deficient in either the R-3- hydroxyacyl-CoA dehydrogenase or in the 3-ketothiolase activity, the last β-oxidation cycle steps, surprisingly contained PHAs of predominantly even-chain monomers. This is also noticed in wild- type and mutants grown on glucose or raffinose, indicating that the substrate used for PHA synthesis is generated from the degradation of intracellular short- and medium-chain fatty acids by the 3- oxidation cycle. Inhibition of fatty acid biosynthesis by cerulenin blocks the synthesis of PHAs from intracellular fatty acids but still enables the use of extracellular fatty acids for polymer production. Together, these results uncovered the existence of a substantial futile cycle whereby short- and medium-chain intermediates of the cytoplasmic fatty acid biosynthetic pathway are directed towards the peroxisomal β-oxidation pathway.
In this thesis, no increase of the yield of PHA produced could be obtained. But the PHA synthesis confirmed the carbon flux into and through the β-oxidation core cycle and unveiled the existence of novel mechanisms. It is thus a good tool to study in vivo the flux of carbons in S. cerevisiae cells.
Résumé
Les polyhydroxyalkanoates (PHAs) sont une famille de polyesters naturellement synthétisés par un grand nombre de bactéries. Ayant des propriétés de thermoplastiques, d'élastomères et étant des ressources biodégradables et renouvelables, les PHAs représentent une bonne alternative aux plastiques dérivés du pétrole. Pour pallier aux coûts considérables de la production de PHAs par fermentation bactérienne, la synthèse de PHAs par des systèmes eucaryotes telles les plantes a été élaborée. Les coûts ont ainsi efficacement été diminués, mais le rendement de PHAs produits reste faible.
Dans cette étude, Saccharomyces cerevisiae a été utilisé comme autre modèle eucaryote pour révéler les étapes limitantes de la production de PHAs. Les PHAs obtenus dans les cellules exprimant la F'HA synthase de Pseudomonas aeruginosa ont été analysés afin de comprendre le flux d'acides gras vers et à travers le cycle péroxisomal de la β-oxidation, principal producteur du substrat de la PHA synthase. Lorsque la souche S. cerevisiae de type sauvage se développe dans un milieu contenant du glucose et des acides gras, la composition des monomères de PHAs est influencée par la nature des acides gras extracellulaires. Ainsi, les monomères pairs sont générés par l'acide oléique (18:1Δ9cis), tandis que les impairs le sont par l'acide heptadécénoïque (17:1Δ10cis). La synthèse de PHAs est dépendante des deux premières enzymes de la β-oxidation; l'acyl-CoA oxidase et l'enzyme multifonctionnelle enoyl-CoA hydratase II / R-3-hydroxyacyl-CoA déshydrogénase. Les souches mutantes ne possédant pas les activités de la R-3-hydroxyacyl-CoA déshydrogénase ou de la 3- ketothiolase contiennent, en présence d'acide oléique ou heptadécénoïque, des PHAs composés essentiellement de monomères pairs. Cela a également été observé en présence de glucose ou de raffinose uniquement. Le substrat utilisé pour la synthèse de PHAs a ainsi été généré par la dégradation d'acides gras intracellulaires à chaîne courte et moyenne via le cycle de la β-oxidation. L'inhibition de la synthèse d'acides gras par la cérulénine a bloqué la synthèse de PHAs par les acides gras internes. Ces résultats ont révélés l'existence d'un cycle futile par lequel des intermédiaires à chaîne courte et moyenne de la synthèse cytoplasmique d'acides gras sont dirigés vers le cycle péroxisomal de la β-oxidation.
Dans cette étude, le rendement de PHAs produits reste inchangé, mais l'analyse des PHAs permet de confirmer le flux de carbones vers et à travers le cycle péroxisomal de la β-oxidation et l'existence de nouveaux méchanismes a été dévoilée. Cette synthèse s'avère être un bon outil pour étudier in vivo le flux de carbones dans les cellules de S. cerevisiae.