Focus sur l'acide formique

Pour une bioéconomie neutre en carbone, il faut des procédés qui fixent efficacement le CO2 et le transforment en produits précieux. L'acide formique ou son sel, le formiate, est considéré comme un candidat prometteur : il peut être produit à partir de CO2 à l'aide d'électricité renouvelable, est facilement transportable, non toxique et peut être utilisé de diverses manières. La recherche se concentre entre autres sur les micro-organismes qui sont "nourris" avec de l'acide formique produit à partir de CO2 et qui produisent des produits chimiques de base ou des carburants.

Une équipe dirigée par le Dr Maren Nattermann à l'Institut Max Planck de microbiologie terrestre a développé une enzyme sur mesure qui réalise l'étape centrale de la transformation de manière précise et stable en un seul processus enzymatique. Mise en place d'une dérivation métabolique synthétique

La solution enzymatique s'appuie sur des recherches antérieures au cours desquelles l'équipe a établi une voie de phosphate de formyle entièrement synthétique dans les bactéries. Jusqu'à présent, seules certaines bactéries étaient capables d'utiliser l'acide formique. Les voies métaboliques naturelles contournent alors le produit intermédiaire formaldéhyde, qui sert de point de départ important pour l'intégration du CO2 dans le métabolisme cellulaire. Les chercheurs ont construit un pont artificiel : une voie métabolique synthétique de phosphate de formyle qu'ils ont intégrée dans des bactéries E. coli vivantes. Le partenaire de coopération, le Dr Sebastian Wenk (Université de Groningen), explique : "Notre travail a montré qu'une voie métabolique synthétique pour le traitement du formiate fonctionne dans des organismes vivants - une étape importante vers le développement de micro-organismes utilisables en biotechnologie qui peuvent utiliser le formiate obtenu à partir du CO2 pour produire des aliments, des carburants et des matériaux". Le formaldéhyde est immédiatement transformé par la cellule et ne s'accumule pas.

Toutefois, le lien avec le métabolisme cellulaire doit être robuste - après tout, il est en concurrence avec le métabolisme naturel bien rodé, qui a évolué au cours de millions d'années. Jusqu'à présent, il n'existait que des cascades enzymatiques complexes et fragiles à plusieurs niveaux, qui libèrent des produits intermédiaires sensibles comme le phosphate de formyle ou le formyl-CoA - des molécules qui se décomposent facilement ou qui subissent des réactions secondaires indésirables. D'un point de vue biotechnologique, l'objectif est un "régime entièrement formiate", dans lequel les bactéries se développent exclusivement avec de l'acide formique, sans additifs coûteux. Une seule enzyme réalise l'étape décisive

Récemment, le groupe a réalisé une percée décisive : une enzyme formiate-réductase sur mesure qui transforme de manière précise et robuste l'acide formique en formaldéhyde. L'enzyme, appelée FAR (formiate réductase), est basée sur une carboxylic acid reductase (CAR) de la bactérie Mycobacteroides abscessus. L'enzyme CAR a été modifiée par mutagenèse ciblée et criblage à haut débit de manière à ce qu'elle choisisse de préférence des petites molécules comme le formiate. "Avec FAR, nous disposons pour la première fois d'une enzyme unique et robuste qui réduit de manière fiable le formiate en formaldéhyde - exactement là où commencent de nombreuses voies biotechnologiques", explique le Dr Maren Nattermann, responsable du groupe de recherche Max Planck. "Nous créons ainsi un élément manquant pour les futures bioconversions qui reposent directement sur des matières premières à base de CO₂".

"Le plus important est que notre enzyme tolère même des concentrations élevées de formiate - car dans ces conditions, les systèmes précédents échouaient presque complètement", ajoute Philipp Wichmann, premier auteur de l'étude. C'est justement cette stabilité qui rend FAR attractif pour les processus industriels dans lesquels le formiate est produit électrochimiquement à des concentrations très élevées.

Sans l'utilisation de méthodes à haut débit, ce résultat n'aurait pas pu être obtenu en peu de temps. "Après le screening d'environ 4000 variantes, nous avons obtenu une multiplication par cinq de la production de formaldéhyde", explique Maren Nattermann.

Avec FAR, on dispose désormais d'une enzyme qui peut être utilisée aussi bien dans des cellules vivantes que dans des systèmes sans cellules ou des lignes de production électrobiochimiques. Ainsi, des produits chimiques de base, des bioplastiques ou des carburants pourraient être fabriqués à l'avenir à partir de formiate à base de CO2. Les chercheurs prévoient déjà de combiner FAR avec d'autres voies métaboliques synthétiques, par exemple pour la production de molécules riches en énergie.