Une enzyme porteuse d'espoir : découverte d'une nouvelle enzyme capable de dégrader le plastique chez des bactéries
L’« enzyme Pac-Man » décompose le plastique polyester tout en clivant la pénicilline
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Des chercheurs de l'université de Constance ont découvert chez certaines bactéries une nouvelle « enzyme Pac-Man » capable de décomposer le plastique polyester, mais aussi des antibiotiques tels que la pénicilline. Cette découverte jette les bases d’une nouvelle approche de la recherche sur la dégradation microbienne du plastique ainsi que de la compréhension de la propagation de la résistance aux antibiotiques dans l’environnement, notamment en ce qui concerne son évolution.
Dans les océans, d’énormes quantités de déchets plastiques s’accumulent dans ce qu’on appelle les « grands tourbillons de déchets » («Great Garbage Patches ») et constituent une menace mortelle pour les organismes qui y vivent. Cela s’explique par le fait que les polymères plastiques synthétiques utilisés aujourd’hui ne peuvent être dégradés biologiquement, c’est-à-dire par des micro-organismes, que très lentement. Au lieu de cela, la fragmentation physique de ces matériaux conduit à la formation de microplastiques et de nanoplastiques. Cependant, des microbes colonisent les déchets plastiques présents dans l’environnement et forment ainsi un biofilm au sein d’un habitat microbien qui lui est propre, que la recherche désigne sous le nom de « plastosphère ».
Une enzyme récemment découverte chez ces bactéries laisse espérer que les micro-organismes pourraient se spécialiser plus rapidement que prévu dans la dégradation du plastique. Une équipe de recherche de l’université de Constance a découvert cette enzyme jusqu’alors inconnue, qui est non seulement capable de décomposer certains types de polyesters et de bioplastiques, mais qui confère également aux bactéries une résistance aux antibiotiques. En raison de sa structure dotée d’un centre actif largement ouvert, les chercheurs qualifient ce « mangeur de plastique » d’« enzyme Pac-Man ». L’homme peut favoriser la dégradation du plastique dans l’environnement en n’utilisant, dans l’idéal, plus que du bioplastique, qui peut être décomposé par les micro-organismes.
Le projet de recherche
Dans le cadre de leur projet de recherche, les biologistes de Constance Harry Lerner et David Schleheck ont étudié la dégradation microbienne complète des bioplastiques. Parallèlement, ils ont analysé la composition ainsi que l’ensemble de l’information génétique (le métagénome) de la communauté microbienne impliquée dans ce processus. Pour cette étude, ils ont utilisé des bioplastiques développés par l’équipe du chimiste Stefan Mecking : les « polyesters aliphatiques à longue chaîne » (LCAP). Leur étude commune vient d’être publiée dansThe ISME Journal.
Comment l’équipe de recherche a-t-elle procédé ? « Nous avons enfoui de petits morceaux de film en bioplastique LCAP dans la couche supérieure d’humus de la forêt du jardin botanique de l’université, à environ dix centimètres de profondeur », explique Harry Lerner. « C’est en effet dans cette couche que se produit la dégradation de la cellulose et d’autres polymères naturels tels que la cutine, un polyester végétal. » Parallèlement, l’équipe a mélangé une poudre de ce bioplastique à des échantillons du même sol forestier en laboratoire. Les échantillons prélevés en forêt ont été laissés en place pendant une année entière, tandis que pour les échantillons en laboratoire, la dégradation des matériaux a été suivie de très près – notamment par la mesure dela production de CO₂ et donc de la respiration microbienne – également sur une période d’un an. « En laboratoire, la cellulose, d’autres types de bioplastiques tels que le PHBV et le PCL, ainsi que du plastique rigide (HDPE) et du sol non traité ont servi de références et de contrôle négatif. Pour tous les bioplastiques, nous avons pu constater une dégradation complète en l’espace d’environ 250 à 330 jours, contre environ 80 jours pour la cellulose, tandis que pratiquement rien ne s’est passé avec le PEHD », explique Lerner.
Une découverte inattendue
Une surprise attendait les chercheurs lors de l’analyse des films prélevés dans le sol forestier : au microscope électronique, on a pu observer que des trous microscopiques s’étaient formés dans le film. Et ces trous avaient exactement la taille et la forme de cellules bactériennes individuelles. « Nous avons émis l’hypothèse que les bactéries pourraient être recouvertes de dépolymérases plastiques solidement ancrées à la surface de leur cellule, qu’elles se “digèrent” pour ainsi dire à l’intérieur du matériau et s’enfoncent ainsi dans le film. Ce faisant, elles laissent chacune de ces minuscules trous », explique Lerner.
Afin de déterminer quels microbes s’accumulent lors de la dégradation des bioplastiques dans les échantillons de sol et quelles enzymes interviennent dans cette dégradation, Harry Lerner a extrait l’ADN total de la communauté microbienne présente dans le sol, l’a séquencé et a analysé ces vastes quantités de données avec beaucoup de patience et de minutie. Les microbiologistes ont découvert un gène qui s’était fortement accumulé, uniquement dans le sol forestier, en présence de LCAP. Il code pour une enzyme dite « estérase », qui possède à la fois un signal de sécrétion – en quelque sorte une étiquette d’adresse pour l’exportation hors de la cellule – et ce qu’on appelle un ancrage membranaire (ancrage lipidique). Ce dernier permet à l’enzyme de se lier solidement à la surface cellulaire. L’« enzyme Pac-Man » venait d’être découverte.
Cette enzyme a réservé une autre surprise : « Elle présente une similitude structurelle avec les estérases, mais aussi avec les bêta-lactamases, c’est-à-dire des enzymes bactériennes capables de cliver le cycle bêta-lactame de certains antibiotiques comme la pénicilline et de conférer ainsi aux bactéries une résistance aux antibiotiques », explique Lerner. Et en effet, les chercheurs ont pu démontrer en laboratoire la double fonction biochimique de l’enzyme : d’une part, décomposer les polyesters en monomères et, d’autre part, cliver la pénicilline.
Un bouleversement dans la plastosphère ?
« Dans notre environnement, la plastosphère constitue un nouvel habitat », souligne Schleheck. « Ce n’est que depuis environ 50 à 75 ans que l’homme introduit du plastique en quantités significatives dans l’environnement. Depuis lors, celui-ci est en principe à la disposition des communautés microbiennes – par exemple les bactéries, les levures et les champignons – en tant que substrat supplémentaire de carbone et d’énergie pour leur croissance. Par « en principe », j’entends qu’elles utiliseraient certainement volontiers le plastique comme substrat de croissance – mais elles ne le peuvent pas, car ces matériaux sont pratiquement indigestes pour le métabolisme microbien et ne sont donc pratiquement pas dégradés. »
Du moins jusqu’à présent. L’« enzyme Pac-Man » pourrait désormais marquer un tournant, indiquant que certains micro-organismes se spécialisent désormais entièrement dans la dégradation du plastique. « Cela me donne personnellement de l’espoir, car il semble que les bactéries puissent se spécialiser dans la dégradation des plastiques à base de polyester plus rapidement que prévu. Pour résoudre le problème du plastique dans l’environnement, cela signifie que nous, les humains, devons aller à la rencontre des microbes et, dans l’idéal, n’utiliser à l’avenir que des polymères possédant des points de rupture biochimiques tels que les liaisons ester hydrolysables présentes dans les polyesters, par exemple dans le LCAP ou d’autres types de bioplastiques », explique Schleheck.
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 Allemand peut être trouvé ici.
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