Approches d'ingénierie métabolique et de biologie synthétique pour une production durable et efficace de caroténoïdes en levure

Les caroténoïdes sont des constituants majeurs des plantes, des bactéries ou des levures qui jouent des rôles dans la protection, la pigmentation ou la photosynthèse. Ce sont des précurseurs de la vitamine A, de puissants antioxydants ou des agents protecteurs contre diverses affections, telles que l'inflammation, le vieillissement, la cataracte, le cancer, les maladies cardiovasculaires et neurodégénératives. En raison de ces activités biologiques, les caroténoïdes sont des ingrédients essentiels pour la santé humaine et animale qui doivent être ingérés par voie alimentaire. Ce besoin a suscité un intérêt commercial croissant pour les produits à base de caroténoïdes comme compléments alimentaires, nutraceutiques, colorants, cosmétiques ou pour l'aquaculture et l'alimentation animale. Pour répondre à la demande du marché, des caroténoïdes synthétiques sont utilisés dans 80 à 90% des applications. Ils sont produits chimiquement à partir de produits pétrochimiques bruts et sont associés à des bioactivités réduites et à des problèmes de santé. Par conséquent, les caroténoïdes synthétiques ne sont pas approuvés pour la consommation humaine et sont principalement utilisés comme colorants dans les secteurs de l'aquaculture et de l'alimentation animale. Les caroténoïdes naturels sont obtenus par extraction à partir de plantes et d'algues ou produits biologiquement dans des microbes par fermentation, des procédés associés à un coût de production plus élevée que la synthèse organique. Ainsi, nous développerons une stratégie rentable pour la production de caroténoïdes naturels en utilisant la levure de boulanger, visant à remplacer les caroténoïdes synthétiques dans des applications majeures. Nous reconstituerons les voies de biosynthèse des caroténoïdes commercialement importants, le β-carotène, la lutéine ou l'astaxanthine, et optimiserons la production pour atteindre des rendements au seuil de rentabilité ou supérieurs. Nous développerons également des souches de levure dédiées à la production future d'autres aroténoïdes, qui ne se prêtent pas encore à l'ingénierie dans des organismes non producteurs. Nous intégrerons des approches de pointe en ingénierie métabolique et en biologie computationnelle pour améliorer l'activité des enzymes caroténogènes et réorienter les métabolites nécessaires dans la levure vers la production de caroténoïdes. Nous manipulerons également le transport des caroténoïdes dans et hors des cellules pour permettre une récupération facile dans les huiles végétales, excluant ainsi une extraction difficile avec des solvants organiques. Enfin, nous accélérerons le développement et l'optimisation des bioprocédés en appliquant des algorithmes d'intelligence artificielle pour construire un modèle des paramètres optimaux du bioréacteur, des taux de croissance, de production des cellules et de l'analyse des profils des produits caroténoïdes. Les caroténoïdes produits par la levure auront un impact positif sur le secteur agroalimentaire canadien et québécois à différents niveaux: 1. des produits d'aquaculture et d'alimentation animale plus saines; 2. des suppléments alimentaires et des nutraceutiques plus disponibles et moins chers; 3. des plateformes de microorganismes pour la production future d'autres caroténoïdes, dont certains présentent des bioactivités uniques (par exemple la fucoxanthine); 4. des options pour le développement de probiotiques à base de caroténoïdes.