As the worldwide demand for recombinant proteins and valuable metabolites continues to grow, and as the biological toolset at our disposal continues to expand, the development of novel, robust, and effective platforms for the production of these bioproducts represents an area of ever-increasing interest. Although many such bioprocesses are currently economically viable, many more, though holding considerable promise, remain uncompetitive. The development of novel, more productive systems increases the versatility and industrial applications of bioprocesses.

The work described in this thesis explores several aspects of bioprocessing, both on the upstream side, concerned with the development of novel recombinant protein expression platforms or the isolation of novel genes with products possessing characteristics of interest, and on the downstream side, through the improvement of fermentation-based bioprocesses.

Thirty-six homoplasmic recombinant strains of the microalga Chlamydomonas reinhardtii were developed having integrated genes for phytase or xylanase under the control of psbA and psbD promoters, codon optimized using novel algorithms, at two different genetic loci, in chloroplasts, to be used as novel animal feed additives. Enzyme production was characterized, and results, when compared to other published work in this field, may provide insight into the factors impacting recombinant protein production in microalgae.

Using a “bio-prospecting approach”, the microflora of the digestive tract of a Canadian beaver was screened for cellulase-producing microorganisms. Although the screening approach did successfully identify a novel β-glucosidase gene from an isolated strain of Bacillus thuringiensis, the sequence was not significantly different from those already characterized.

Two bioprocessing studies were performed to improve recombinant protein production in Pichia pastoris. In the first, the composition of standard Basal Salt Medium (BSM) was systematically optimized for the production of recombinant phytase, and the optimized media produced significantly more enzyme than the standard one, while also containing significantly reduced concentrations of KH₂PO₄ and MgSO₄·7H₂O (27.9 g/l and 4.8 g/l respectively), lowering the price of process inputs. The second was based on the screening of unconventional carbon sources for candidates that could sustain the growth and enzyme production using the same P. pastoris strain. Fructose and ethanol have shown to be viable alternatives to glucose or glycerol as sole carbon sources, and provide flexibility in terms of process design.

Puisque la demande mondiale pour les produits recombinants continue d’augmenter, et que les outils biologiques à notre disposition deviennent de plus en plus puissants et versatils, le développement de nouveaux systèmes robustes et efficacies pour la production de bioproduits demeure un domaine de recherché d’intérêt considérable. Bien que plusieurs bioprocédés soient présentement économiquement viables, plusieurs autres procédés, malgré leur potentiel, ne peuvent pas présentement faire compétition avec les alternatives traditionnelles. Le dévelopement de nouveaux biosystèmes efficaces et puissants augmente les options disponibles lors de design de bioprocédés industriels.

Plusieurs aspects reliés aux bioprocédés, y compris le développement de nouvelles plateformes pour la production de protéines recombinantes, l’identification de nouveaux gènes codant pour des enzymes ayant des caractéristiques intéressantes, et le développement et l’optimisation de procédés de fermentation sont discutés dans cette œuvre.

Trente-six lignées recombinantes homoplasmiques de la micro-algue Chlamydomonas reinhardtii, ayant incorporé dans le génome du chloroplaste des gènes pour une phytase ou une xylanase contrôlés pas les promoteurs des gènes psbA et psbD et dont les codons furent optimisés à l’aide de nouveaux algorithmes, furent développées pour être utilisées comme suppléments nutritionnels pour les animaux monogastriques. L’expression enzymatique fut caractérisée, et les résultats, lorsque comparés avec ceux d’autres œuvres publiées dans ce domaine, pourraient contribuer à la compréhension des différents facteurs qui affectent l’expression protéique dans les micro-algues.

En suivant une approche « d’exploration biologique », la microflore du système digestif d’un castor canadien fut analysée pour identifier des microorganismes qui produisent des enzymes cellulolytiques. Bien que cette approche ait permis l’identification d’un nouveau gène pour une β-glucosidase d’une lignée de Bacillus thuringiensis, la séquence génétique n’est pas assez différente de celles déjà caractérisées.

Deux études sur l’amélioration de la production d’enzymes recombinantes à l’aide de la levure Pichia pastoris furent effectuées. La première avait comme objectif l’optimisation systématique de la composition du milieu de croissance BSM (Basal Salt Medium) pour la production de phytase. La composition optimisée a permis la production d’une quantité significativement plus élevée que le milieu standard, et contient de plus petites quantités de KH₂PO₄ et MgSO₄·7H₂O (27.9 g/l et 4.8 g/l respectivement), ce qui réduit les coûts de production associés au procédé. La deuxième avait pour but l’identification de sources de carbone non-traditionnelles qui peuvent appuyer la croissance et la production d’enzyme dans la même lignée de P. pastoris. Les résultats démontrent que le fructose et l’éthanol sont des alternatives viables au glucose et au glycérol, et leur utilisation permet le design de bioprocédés flexibles et versatiles.