Projet ANR-10-BIOE-0004 – Algo-H2 : Optimisations génétiques, métaboliques, et procédé de la photobioproduction d’hydrogène par la microalgue verte Chlamydomonas reinhardtii
Programme : Bioénergies (Bio-E)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Guillaume COGNE (UNIVERSITE DE NANTES)
Partenaires : Bioénergétique et Ingénierie des Protéines; Biologie Végétale et Microbiologie Environnementales; Systèmes Membranaires, Photobiologie, Stress et Détoxication; Institut Pascal; Laboratoire de Génie des Procédés - Environnement - Agroalimentaire
Montant : 1240363.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 48 mois
Résumé : Vers la production d’hydrogène par voie biologique photosynthétique issu de microalguesUne des particularités de l’hydrogène en tant que vecteur énergétique « propre » du futur est que plusieurs filières de production peuvent être envisagées. Dans ce contexte, les micro-organismes photosynthétiques ouvrent des perspectives intéressantes, de par la capacité de certaines espèces à décomposer l’eau par leur appareil photosynthétique et à utiliser les électrons et les protons produits pour former de l’hydrogène
Objectifs et originalitéL’objectif du projet est d’étudier la production d’hydrogène par voie biologique photosynthétique en choisissant comme organisme modèle Chlamydomonas reinhardtii, connue pour produire de l’hydrogène grâce à une enzyme Fe-hydrogénase à forte activité. Cette microalgue présente naturellement dans le sol, et cultivable aisément en photobioréacteur en culture libre, a été très étudiée aux niveaux physiologique et génétique. Le séquençage récent de son génome et l’existence de nombreux outils génétiques, ouvrent des perspectives d’optimisation biotechnologique sans égal.L’originalité du projet est de combiner expérimentations en conditions contrôlées, tout en abordant simultanément les voies principales d’optimisation de la production d’hydrogène par une approche expérimentale et théorique multiéchelle.
MéthodologiePour améliorer significativement l’état des connaissances sur la production d’hydrogène par des microalgues, et amener à des ruptures par rapport à l’état de l’art, le projet a comme idées directrices :1.	Combinaison dans un programme intégratif de trois voies d’optimisation de la production d’hydrogène par Chlamydomonas reinhardtii : optimisation génétique dirigée pour améliorer la tolérance à l’oxygène de l’hydrogénase à Fer de C. reinhardtii, Optimisation énergétique et métabolique et recherche de mutants affectés dans les voies bioénergétiques impliquées dans la production d’hydrogène, et optimisation des protocoles de production et des stratégies de conduite des photobioréacteurs de production. 2.	Utilisation de photobioréacteurs d’étude pour rechercher et tester de nouveaux protocoles en conditions rigoureusement contrôlées.3.	Intégration des résultats dans une démarche transversale de modélisation appliquée à l’échelle cellulaire (chaîne de transporteurs, métabolisme énergétique, voies de production d’H2) et au réacteur pour l’optimisation des protocoles de production et élaboration d’outils en vue du contrôle et du dimensionnement ultérieur de procédés de production adaptés
Résumé de la soumission : L’objectif du projet est d’étudier la production biologique d’hydrogène par voie photosynthétique en choisissant comme organisme modèle l’algue verte Chlamydomonas reinhardtii, connue pour produire de l’hydrogène grâce à une enzyme Fe-hydrogénase à forte activité. Ce projet répond à la nécessité de développer les connaissances scientifiques requises pour la mise en place des ruptures attendues dans cette voie de production. La production de bio-hydrogène par microalgues ou cyanobactéries est très spécifique, en particulier pour sa nature transitoire et sa relation directe avec le mécanisme photosynthétique. En plus de la nature transitoire de la production d’hydrogène due à la sensibilité de l’hydrogénase à l’oxygène produit par l’activité du PSII, on considère que la réaction de photoproduction d’H2 constitue une soupape de sécurité permettant d’évacuer vers l’H2 le pouvoir réducteur produit en excès par les photosystèmes dans des conditions où la fixation photosynthétique de CO2 n’est pas encore opérationnelle. Un enjeu majeur est de transformer cette réaction marginale de protection en une réaction majoritaire en redirigeant l’essentiel du pouvoir réducteur produit par la photosynthèse vers la production d’H2. Pour une étude et une optimisation raisonnées de cette voie de production, une forte complémentarité est essentielle entre des équipes issues de domaines scientifiques différents (Biologie, Sciences pour l’Ingénieur). L’objectif premier de ce projet est donc de fédérer au sein d’une même dynamique ces différentes compétences, en regroupant des laboratoires reconnus chacun dans leur domaine, et dont l’association dans une démarche intégrée est susceptible d’amener à des avancées nettes sur des verrous majeurs de la problématique. Trois niveaux d’optimisation seront recherchés dans ce projet : l’optimisation génétique pour chercher à diminuer la sensibilité à l’oxygène de l’hydrogénase, l’optimisation métabolique pour l’étude de le chaîne de transport des électrons et pour la recherche de mutants dont les voies bioénergétiques conduisant à la production d’hydrogène seront affectées favorablement, et l’optimisation des protocoles de production en photobioréacteur. Une démarche transversale de modélisation sera appliquée, de l’échelle cellulaire (chaîne de transporteur, métabolisme énergétique, voies de production d’H2) à celle du réacteur (l’optimisation des protocoles de production et l’élaboration d’outils de contrôle-commande dédiés).  Du fait des nombreux verrous liés à la production biologique d’hydrogène positionnant clairement le sujet sur le long terme, une durée de 48 mois du programme est demandée.
Résultats : A l’heure actuelle, les travaux portant sur l’amélioration génétique de Chlamydomonas reinhardtii vis-à-vis de la sensibilité de l’hydrogénase à fer à l’O2 ont conduit à la mise en place d’un premier crible pour l’évolution dirigée de l’H2ase [Fe-Fe] de C. reinhardtii.
Concernant l’optimisation des voies métaboliques impliquées dans la production d’H2, l’étude d’un mutant affecté dans le transfert cyclique des électrons autour du PSI, a permis de mettre en évidence que la voie directe de production d’H2 était limitée par le gradient transmembranaire de protons lui-même dépendant de l’activité du transfert cyclique des électrons autour du PSI.
Enfin, un premier montage de procédé bi-étagé de production continu d’H2 a été mise en place. Celui-ci est actuellement en cours de caractérisation.
Perspectives : Une production d’énergie propre (l’hydrogène) intégralement basée sur des sources renouvelables (eau et soleil) pourrait finalement être mise en place. Cet enjeu majeur explique les nombreux travaux engagés de par le monde sur l’utilisation directe des micro-organismes photosynthétiques.
Publications et brevets : 4 publications dans des revues à comités de lecture internationales
1 communication internationale