Les scientifiques conçoivent des bactéries pour produire deux précieux produits à base de fibres végétales

Nous nous tournons souvent vers les plus petites formes de vie pour résoudre les plus gros problèmes : les microbes contribuent à fabriquer des aliments et des boissons, à traiter des maladies, à traiter les déchets et même à nettoyer la pollution. Les levures et les bactéries peuvent également convertir les sucres végétaux en biocarburants et en produits chimiques traditionnellement dérivés des combustibles fossiles, un élément clé de la plupart des plans visant à ralentir le changement climatique.

Des chercheurs de l’Université du Wisconsin-Madison ont conçu des bactéries capables de produire deux produits chimiques en même temps à partir de fibres végétales inexploitées. Contrairement aux humains, ces microbes multitâches peuvent faire les deux aussi bien.

« À ma connaissance, c’est l’une des premières fois où l’on peut fabriquer simultanément deux produits précieux dans un seul microbe », explique Tim Donohue, professeur de bactériologie à l’Université du Wisconsin-Madison et directeur du Great Lakes Bioenergy Research Center.

Découverte, Détaillé dans le papier Dans le magazine Microbiologie appliquée et environnementaleCela pourrait contribuer à rendre les biocarburants plus durables et commercialement viables.

« En principe, cette stratégie réduit les émissions nettes de gaz à effet de serre et améliore l’économie », explique Donohue. « La quantité d’énergie et de gaz à effet de serre nécessaires pour fabriquer deux produits dans un pot serait inférieure à celle nécessaire pour fabriquer deux pots pour fabriquer un produit dans chaque pot. »

Chaque molécule est importante

La quête visant à remplacer les combustibles fossiles par des alternatives durables dépend de l’extraction de la plus grande valeur possible de la biomasse renouvelable. Comme dans le cas des produits pétrochimiques, chaque molécule compte : des produits à faible volume et de grande valeur contribuent à maintenir les prix des carburants à un niveau abordable.

L’un des plus grands obstacles est une partie de la paroi cellulaire végétale appelée lignine. La lignine est la source de carbone aromatique renouvelable la plus abondante au monde, mais sa structure irrégulière la rend extrêmement difficile à décomposer en composants utiles.

C’est pourquoi les scientifiques du GLBRC ont étudié des bactéries appelées Novosphingobiumomaticivorans (parfois appelées Novo), capables de digérer de nombreux composants de la lignine et relativement faciles à modifier génétiquement.

En 2019, des chercheurs ont conçu une souche de novo capable de produire un composant clé des plastiques tels que le nylon et le polyuréthane, connu sous le nom de PDC. Plus récemment, une équipe du laboratoire de Donohue a découvert une autre modification qui permet à Novo de fabriquer un composant en plastique différent appelé ccMA.

Mais ils ne se sont pas arrêtés là.

« Nous n’allons pas résoudre notre problème d’émissions de carbone en fabriquant seulement deux produits », déclare Ben Hall, un récent diplômé de doctorat qui a contribué à la recherche.

L’équipe de Donohue a utilisé la modélisation génomique pour dresser une liste de produits potentiels pouvant être fabriqués à partir d’aromatiques de la biomasse. En tête de liste se trouvait la zéaxanthine, l’un des pigments organiques connus sous le nom de caroténoïdes.

Les caroténoïdes, qui donnent aux carottes, aux courges, au saumon et même aux flamants roses leurs couleurs distinctives, sont utilisés comme compléments alimentaires, médicaments et cosmétiques et ont une valeur marchande cumulée de plusieurs dizaines de milliards de dollars par an.

Les chercheurs savaient que Novo possédait les gènes nécessaires pour produire un autre caroténoïde ayant peu de valeur marchande. Sur la base de la séquence du génome bactérien, ils soupçonnaient que la zéaxanthine était un tremplin vers un caroténoïde moins précieux dans le processus utilisé par les cellules pour fabriquer des molécules complexes. Il s’agissait simplement de modifier les bons gènes pour arrêter la chaîne d’assemblage digestif au produit le plus précieux.

En supprimant ou en ajoutant des gènes sélectionnés, ils ont conçu des souches qui produisent de la zéaxanthine, ainsi que d’autres caroténoïdes précieux – bêta-carotène, lycopène et astaxanthine – lorsqu’elles sont cultivées sur un composé aromatique normalement présent dans la lignine.

Ensuite, l’équipe a montré que des bactéries modifiées pouvaient produire les mêmes caroténoïdes à partir d’un liquide fabriqué à partir de tiges de sorgho broyées et transformées, une solution contenant un mélange d’aromatiques que de nombreuses bactéries industrielles ne peuvent pas digérer.

Un bol, deux produits

Hall s’est alors demandé ce qui se passerait s’il combinait les changements génétiques nécessaires pour fabriquer du PDC et des caroténoïdes dans le même microbe.

Les souches résultantes ont produit à la fois du PDC et du caroténoïde cible, sans perte significative de rendement. Mieux encore, les bactéries accumulent des caroténoïdes au sein de leurs cellules, qu’il faut séparer de la solution contenant le PDC qu’elles sécrètent.

« Nous avons en fait séparé les cellules des médias », explique Hall. « Nous aurons désormais un produit issu des deux. »

Les prochaines étapes consistent à tester si les souches modifiées peuvent produire simultanément des caroténoïdes et du ccMA, ce que Donohue pense pouvoir faire, et à concevoir les souches pour améliorer la productivité dans des conditions industrielles.

Bien qu’il existe des marchés lucratifs pour chacun de ces produits, Donohue et Hall affirment que la véritable valeur de cette découverte réside dans la capacité d’ajouter de multiples fonctions à cette plateforme biologique.

« Pour moi, c’est une question de stratégie et de produits », explique Donohue. « Maintenant que nous avons fait cela, je pense que cela ouvre la porte à voir si nous pouvons créer une autre structure microbienne qui fabrique deux produits. »