Approvisionnement durable en protéines : transformer l'énergie solaire en protéines
En laboratoire, le photovoltaïque, l'hydrogène et des enzymes spécialisées remplacent la culture de plantes fourragères riches en protéines
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Selon les projections des Nations unies, la demande alimentaire mondiale pourrait augmenter d’environ 60 % d’ici 2050, alors que l’on ne prévoit qu’une augmentation d’environ 2 % des terres agricoles disponibles. Des chercheurs de l’Université technique de Munich (TUM) explorent donc de nouvelles approches pour garantir la sécurité alimentaire. Une équipe du campus de Straubing de la TUM a mis au point un procédé permettant de produire des acides aminés essentiels à partir de dioxyde de carbone, d’hydrogène et d’énergie renouvelable.
Viktoria Lehmann, doctorante à la chaire de chimie des ressources biogéniques de la TUM, décrit une application potentielle des acides aminés produits par biotechnologie : « Une vache laitière a besoin de bien plus que l’herbe qui pousse dans son pâturage. Pour obtenir un rendement laitier élevé, il faut un apport supplémentaire en protéines, généralement fourni par l’alimentation animale. Ces aliments sont enrichis en acides aminés, les éléments chimiques constitutifs des protéines. Dans les systèmes de production animale du monde entier, des millions de tonnes d’acides aminés sont utilisées comme additifs alimentaires. Cependant, leur production consomme d’importantes quantités de terres, d’eau et d’autres ressources. Nous voulions trouver un moyen plus économe en ressources pour répondre à cette demande en protéines. »
Dans une étude récemment publiée, l’équipe a présenté son approche. Le principe est le suivant : l’énergie solaire est convertie en électricité à l’aide de systèmes photovoltaïques. Cette électricité sert à produire de l’hydrogène qui, associé au dioxyde de carbone, est transformé en méthanol — un alcool largement utilisé dans l’industrie comme précurseur chimique. Des enzymes spécialisées transforment ensuite le méthanol, étape par étape, en acides aminés. Le type d’acide aminé produit dépend des enzymes spécifiques utilisées.
« Les plantes utilisent la lumière du soleil pour produire de la biomasse, mais elles le font de manière relativement peu efficace. Nous étudions une voie alternative dans laquelle l’énergie renouvelable est d’abord convertie en vecteurs d’énergie chimique, puis en éléments constitutifs précieux des protéines », explique Volker Sieber, professeur de chimie des ressources biogéniques et recteur du campus de Straubing de la TUM. « À long terme, cette approche pourrait contribuer à une utilisation plus productive des terres disponibles et permettre une production plus durable d’acides aminés. »
Une technologie de plateforme modulaire
En 2023, les chercheurs ont démontré la production de l’acide aminé L-alanine à partir de méthanol vert. Leurs derniers travaux étendent cette approche à sept acides aminés au total. « Notre concept modulaire "plug-and-play" peut être comparé à un jeu de construction », explique le Dr Vivian Willers, dont les travaux de thèse ont jeté les bases de cette étude. « Ce qui a commencé par un seul acide aminé évolue de plus en plus vers une technologie de plateforme permettant de produire des éléments constitutifs des protéines à partir d’énergies renouvelables. »
L’équipe a réussi à produire les acides aminés suivants : glycine, sérine, acide L-aspartique, L-valine, acide L-glutamique et L-proline. À l’avenir, cette technologie pourrait contribuer à réduire la dépendance vis-à-vis d’ingrédients alimentaires riches en protéines, tels que le soja, qui ne sont pas toujours produits de manière durable. Ces acides aminés sont également des composants essentiels des milieux nutritifs utilisés dans la production de viande cultivée. Les chercheurs envisagent donc des applications allant bien au-delà de l’agriculture conventionnelle.
Bien que l’équipe ait pu démontrer l’ensemble de la chaîne de processus — du dioxyde de carbone au méthanol, puis finalement aux acides aminés —, les volumes de production actuels restent encore trop faibles pour une utilisation commerciale. Les chercheurs s’efforcent donc d’améliorer encore les performances des enzymes impliquées.
« Nos travaux constituent avant tout une démonstration de faisabilité technologique », explique le professeur Volker Sieber. « Nous avons montré qu’un large éventail d’acides aminés biologiquement pertinents peut être produit à partir de méthanol issu du CO₂. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour la production durable de composants protéiques. »
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