De l'huile de palme aux enzymes de synthèse : des chercheurs reprogramment les cellules de levure

Une chaîne d'assemblage moléculaire avec un contrôle précis

Au cœur de cette recherche se trouve une enzyme appelée acide gras synthase (FAS) - une sorte de chaîne de montage moléculaire qui fabrique les acides gras dans tous les organismes vivants. "La FAS est l'une des enzymes les plus importantes dans le métabolisme d'une cellule et a été réglée avec précision par l'évolution au cours de millions d'années", explique M. Grininger.

L'enzyme produit généralement de l'acide palmitique, un acide gras à 16 atomes de carbone qui sert d'élément constitutif aux membranes cellulaires et au stockage de l'énergie. Toutefois, l'industrie a principalement besoin de variantes plus courtes comportant de 6 à 14 atomes de carbone, qui proviennent aujourd'hui d'huiles végétales produites dans de grandes plantations de palmiers à huile liées à la déforestation et à l'appauvrissement de la biodiversité. L'avantage décisif de la nouvelle méthode basée sur le FAS : "Fondamentalement, notre avantage réside dans le contrôle très précis de la longueur de la chaîne. Nous pouvons théoriquement produire n'importe quelle longueur de chaîne, et nous le démontrons avec l'exemple de l'acide gras C12, qui ne peut être obtenu qu'à partir de palmistes ou de noix de coco", explique M. Grininger.

Comprendre grâce à la modification

Au cours des 20 dernières années, Grininger et son équipe ont largement contribué à la compréhension des fondements moléculaires du SAF. Ils ont découvert que la longueur de la chaîne est régulée par l'interaction entre deux sous-unités : la cétosynthase allonge de façon répétée la chaîne de deux atomes de carbone, tandis que la thioestérase coupe la chaîne finie sous forme d'acide gras. "Nous nous sommes alors demandé si nous pouvions aller au-delà de l'analyse et construire un SAF avec une nouvelle régulation de la longueur de la chaîne", explique M. Grininger. "La véritable compréhension commence lorsque l'on peut modifier ou personnaliser un phénomène.

Deux interventions ciblées mènent au succès

Damian Ludig, le doctorant de Grininger, a repris cette idée. "Nous nous sommes demandé ce qui se passerait si nous intervenions spécifiquement dans l'interaction entre ces deux sous-unités", explique Ludig. "Pourrions-nous alors contrôler la longueur de la chaîne des acides gras produits ?

Ludig a eu recours à des méthodes d'ingénierie des protéines qui permettent d'échanger des acides aminés individuels ou de modifier des régions entières de la protéine. "Deux modifications apportées au FAS grâce à l'ingénierie des protéines nous ont finalement permis d'atteindre notre objectif", explique M. Ludig. "Dans la sous-unité cétosynthase, j'ai d'abord échangé un acide aminé, ce qui a eu pour effet d'allonger les chaînes avec une faible efficacité au-delà d'une certaine longueur. En outre, j'ai remplacé la sous-unité thioestérase par une protéine similaire provenant d'une bactérie qui montre une activité de clivage des chaînes courtes." En fonction d'autres ajustements, Ludig a pu produire des acides gras de longueur courte et moyenne.

De Francfort à Dalian

La collaboration avec le groupe de recherche du professeur Yongjin Zhou de l'Institut de physique chimique de Dalian, Académie chinoise des sciences, a finalement permis d'obtenir des résultats décisifs. Soutenus par la Fondation allemande pour la recherche (DFG) et la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (NSFC), Zhou et son laboratoire ont réussi à développer des souches de levure qui produisent des acides gras contenant seulement 12 atomes de carbone au lieu de 16. Divers FAS de conception du laboratoire de Grininger ont été intégrés dans ces levures pour les optimiser.

Les deux laboratoires ont déjà déposé des brevets pour leurs technologies. "Du côté chinois, Unilever a été impliqué dans ce projet. Jusqu'à présent, notre développement s'est fait sans participation industrielle. Toutefois, nous nous efforçons de collaborer avec un partenaire industriel afin de mettre la technologie en application", explique M. Grininger.

Penser à l'avenir : Des acides gras aux produits pharmaceutiques

Dans le cadre d'un second projet, Felix Lehmann, du laboratoire de Grininger, a poussé la recherche encore plus loin en examinant dans quelle mesure les SAF sont universellement applicables à des biosynthèses sur mesure : "Cette question est également motivée par la nécessité de développer continuellement des processus chimiques en vue d'une chimie verte plus durable", explique Grininger.

La question spécifique était la suivante : Les SAF peuvent-ils être réorientés pour produire non seulement des acides gras, mais aussi des composés entièrement différents, tels que les styrylpyrones ? Ces molécules sont des précurseurs de substances dérivées de la plante kava qui suscitent un intérêt médical en raison de leurs propriétés anxiolytiques potentielles. Ici aussi, Lehmann est parvenu à ses fins avec relativement peu de modifications : "Nous avons d'abord supprimé une partie du FAS dont nous n'avions pas besoin pour nos produits cibles, puis nous avons modifié la cétosynthase de manière à pouvoir utiliser l'acide cinnamique comme matière première", explique-t-il. L'équipe a même intégré une autre protéine dans la structure du FAS pour qu'elle fasse partie d'un complexe multi-enzyme.

"Dans ce projet, nous avons systématiquement examiné comment des voies de biosynthèse entières peuvent être construites avec le FAS à partir d'éléments de base facilement disponibles", explique Grininger. Bien que les résultats n'aient pas encore d'applications pratiques immédiates, ils fournissent des indications importantes pour la conception future de nouvelles synthases.

À l'intersection de la chimie et de la biologie

"Ces dernières années, notre laboratoire a fait des progrès considérables en matière de biocatalyse et d'applications biotechnologiques, grâce aux contributions de nombreux projets et collaborations. Nous allons poursuivre dans cette voie", résume M. Grininger. "Dans le cadre du pôle d'excellence SCALE, nous utiliserons également cette enzyme pour produire des biomembranes sur mesure, dont l'analyse permettra d'approfondir notre compréhension d'organites clés tels que le réticulum endoplasmique et les mitochondries.

La question de savoir si la technologie peut effectivement atténuer les problèmes liés à l'huile de palme dépend maintenant de la réussite de la mise à l'échelle avec les partenaires de l'industrie. Les bases scientifiques ont certainement été posées et le laboratoire a encore de nombreuses idées à explorer.