Le métabolisme overflow est un phénomène hautement conservé qui désigne la production de métabolites partiellement oxydés (tels que l’acétate, l’éthanol ou le lactate) par des cellules microbiennes cultivées sur des substrats glycolytiques, même en conditions aérobies. Longtemps considérés comme des sous-produits inutiles, les métabolites d’overflow sont de plus en plus reconnus comme faisant partie d’une réponse régulée et adaptative à des environnements riches en nutriments.
Dans cette thèse, nous proposons un cadre conceptuel général pour étudier le métabolisme d’overflow entre différentes espèces. En nous appuyant sur les contraintes thermodynamiques, la théorie du contrôle métabolique et des observations à l’échelle des systèmes, nous identifions des principes généraux qui gouvernent l’apparition et la régulation du métabolisme d’overflow. Ce cadre repose notamment sur l’idée que l’accumulation de sous-produits extracellulaires (comme l’éthanol ou l’acétate), combinée à l’interaction entre la glycolyse et les voies d’overflow, régule le flux de métabolites d’overflow et peut conduire à leur co-utilisation avec les substrats glycolytiques. La réversibilité de ce flux s’accompagne d’effets bénéfiques sur la physiologie cellulaire : l’acétate (et l’éthanol), loin d’être de simples déchets toxiques, peuvent en réalité favoriser la croissance microbienne en conditions de limitation glycolytique.
Nous avons testé la robustesse et l’universalité de ce cadre en comparant deux organismes modèles évolutivement éloignés : Escherichia coli, une bactérie qui excrète de l’acétate ; Saccharomyces cerevisiae, une levure Crabtree-positive qui excrète de l’éthanol ; et Komagataella phaffii, une levure Crabtree-négative qui produit nettement moins d’éthanol. Malgré des différences d’architecture cellulaire et de mécanismes de régulation, tous ces organismes présentent un métabolisme d’overflow régi par des principes sous-jacents similaires. Nos résultats révèlent une remarquable conservation du fonctionnement métabolique à travers les domaines du vivant.
Enfin, nous avons exploré les implications de ces résultats pour la biotechnologie industrielle. Le métabolisme d’overflow limite souvent les rendements des produits dans les bioraffineries microbiennes, mais une meilleure compréhension de son fonctionnement et de sa régulation ouvre de nouvelles perspectives pour l’ingénierie métabolique. En modulant les paramètres qui gouvernent l’overflow, il devient possible de rediriger les flux vers des produits d’intérêt, d’améliorer l’efficacité des bioprocédés et d’accroître la robustesse en conditions de production. Notre travail contribue ainsi à la fois à la compréhension fondamentale du métabolisme cellulaire et à sa manipulation rationnelle pour l’innovation biotechnologique.
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Overflow metabolism is a highly conserved phenomenon that refers to the production of partially oxidized metabolites (such as acetate, ethanol, or lactate) by microbial cells grown on glycolytic substrates, even under aerobic conditions. Long considered wasteful by-products, overflow metabolites are increasingly recognized as part of a regulated and adaptive response to nutrient-rich environments.
In this thesis, we propose a general conceptual framework to investigate overflow metabolism across species. Drawing on thermodynamic constraints, metabolic control theory, and systems-level observations, we identify general principles that govern the onset and regulation of overflow metabolism. Central to this framework is the notion that the accumulation of extracellular by-products (such as ethanol or acetate), along with the interplay between glycolysis and overflow pathways, regulates the flux of overflow metabolites and may led to their co-utilization with glycolytic substrates. The reversibility of this flux is accompanied by beneficial effects on cell physiology: acetate (and ethanol), far from being merely toxic waste, can in fact enhance microbial growth under glycolytic limitations.
We tested the robustness and universality of this framework by comparing two evolutionarily distant model organisms: Escherichia coli, a bacterium that excretes acetate; Saccharomyces cerevisiae, a Crabtree-positive yeast that excretes ethanol; and Komagataella phaffii, a Crabtree-negative yeast that produces significantly less ethanol. Despite differences in cellular architecture and regulatory mechanisms, all these organisms exhibit overflow metabolism that appears to be governed by similar underlying principles. Our results demonstrate a remarkable conservation of metabolic functioning across domains of life.
Finally, we explored the implications of these findings for industrial biotechnology. Overflow metabolism often limits product yields in microbial cell factories, yet better understanding its functioning and regulation opens new avenues for metabolic engineering. By modulating the parameters that govern overflow, it is possible to redirect fluxes toward desired products, enhance bioprocess efficiency, and improve robustness under production conditions. Our work thus contributes both to the fundamental understanding of cellular metabolism and to its rational manipulation for biotechnological innovation.
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