Des bactéries pour des produits chimiques de l'avenir sans impact sur le climat
Possibilité de production biotechnologique d'une variété de substances chimiques
Des chercheurs de l'ETH Zurich ont créé en laboratoire des bactéries capables d'utiliser efficacement le méthanol. Le métabolisme de ces bactéries peut désormais être exploité pour produire des produits précieux actuellement fabriqués par l'industrie chimique à partir de combustibles fossiles.
Pour produire divers produits chimiques tels que des plastiques, des colorants ou des arômes artificiels, l'industrie chimique dépend actuellement fortement de ressources fossiles telles que le pétrole brut. "Globalement, elle consomme 500 millions de tonnes par an, soit plus d'un million de tonnes par jour", explique Julia Vorholt, professeur à l'Institut de microbiologie de l'ETH Zurich. "Comme ces conversions chimiques consomment beaucoup d'énergie, l'empreinteCO2 réelle de l'industrie chimique est encore six à dix fois plus importante, représentant environ cinq pour cent des émissions totales à l'échelle mondiale. Avec son équipe, elle cherche des moyens de réduire la dépendance de l'industrie chimique à l'égard des combustibles fossiles.
Le méthanol vert
Les bactéries qui se nourrissent de méthanol, appelées méthylotrophes, sont au centre de ces efforts. Contenant un seul atome de carbone, le méthanol est l'une des molécules organiques les plus simples et peut être synthétisé à partir du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, et de l'eau. Si l'énergie nécessaire à cette réaction de synthèse provient de sources renouvelables, le méthanol est qualifié de "vert".
"Il existe des méthylotrophes naturels, mais leur utilisation industrielle reste difficile malgré des efforts de recherche considérables", explique Michael Reiter, chercheur postdoctoral dans le groupe de recherche de Vorholt, qui travaille plutôt avec la bactérie modèle Escherichia coli, bien connue sur le plan biotechnologique. Depuis plusieurs années, l'équipe de Vorholt cherche à doter cette bactérie modèle, qui se développe sur du sucre, de la capacité de métaboliser le méthanol.
Restructuration complète du métabolisme
"Il s'agit d'un défi majeur, car il nécessite une restructuration complète du métabolisme de la cellule", explique M. Vorholt. Dans un premier temps, les chercheurs ont simulé ce changement à l'aide de modèles informatiques. Sur la base de ces simulations, ils ont choisi de supprimer deux gènes et d'en introduire trois nouveaux. "En conséquence, la bactérie a pu absorber du méthanol, mais seulement en petites quantités", explique M. Reiter.
Ils ont continué à cultiver les bactéries dans des conditions particulières en laboratoire pendant plus d'un an, jusqu'à ce que les microbes puissent produire tous les composants cellulaires à partir du méthanol. Au cours d'un millier de générations supplémentaires, ces méthylotrophes synthétiques sont devenus de plus en plus efficaces et ont fini par doubler toutes les quatre heures lorsqu'ils étaient nourris uniquement avec du méthanol. "L'amélioration du taux de croissance rend les bactéries économiquement intéressantes", explique Vorholt.
Optimisation par perte de fonction
Comme le décrit l'équipe de Vorholt dans son article récemment publié, plusieurs mutations aléatoires sont responsables de l'efficacité accrue de l'utilisation du méthanol. La plupart de ces mutations ont entraîné la perte de fonction de divers gènes. Cela est surprenant à première vue, mais en y regardant de plus près, il apparaît que les cellules peuvent économiser de l'énergie grâce à la perte de fonction des gènes. Par exemple, certaines mutations provoquent l'échec des réactions inverses de réactions biochimiques importantes. "Cela supprime les conversions chimiques superflues et optimise le flux métabolique dans les cellules", écrivent les chercheurs.
Afin d'explorer le potentiel des méthylotrophes synthétiques pour la production biotechnologique de produits chimiques en vrac importants pour l'industrie, Vorholt et son équipe ont équipé les bactéries de gènes supplémentaires pour quatre voies de biosynthèse différentes. Dans leur étude, ils montrent maintenant que les bactéries ont effectivement produit les composés souhaités dans tous les cas.
Une plate-forme de production polyvalente
Pour les chercheurs, il s'agit là d'une preuve évidente que leurs bactéries modifiées peuvent tenir leurs promesses initiales : les microbes constituent une sorte de plateforme de production très polyvalente dans laquelle des modules de biosynthèse peuvent être insérés selon le principe "plug-and-play", ce qui incite les bactéries à convertir le méthanol en substances biochimiques souhaitées.
Toutefois, les chercheurs doivent encore augmenter considérablement le rendement et la productivité pour permettre une utilisation économiquement viable des bactéries. Mme Vorholt et son équipe ont récemment bénéficié d'un fonds d'innovation "pour développer davantage les plans d'application et sélectionner les produits sur lesquels se concentrer en premier lieu", explique Mme Vorholt.
Lorsque M. Reiter parle de l'optimisation de la culture des bactéries dans les bioréacteurs, il est enthousiaste. "Face aux défis du changement climatique, il est évident qu'il faut trouver des alternatives aux ressources fossiles", déclare-t-il. "Nous développons une technologie qui n'émet pas deCO2 supplémentaire dans l'atmosphère", ajoute M. Reiter. Et comme les méthylotrophes synthétiques, outre le méthanol vert, n'ont pas besoin de sources de carbone supplémentaires pour leur croissance et leurs produits, ils permettent de "produire des produits chimiques renouvelables qui ne pèsent pas sur l'environnement".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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