Les enzymes découvertes dans l’intestin du capybara pourraient accélérer l’utilisation des déchets agro-industriels

La transformation des déchets agro-industriels en molécules d’intérêt pour la société, telles que les biocarburants et les produits biochimiques, est l’un des moyens d’atténuer la dépendance au pétrole et aux autres combustibles fossiles. En tant que l’un des plus grands producteurs mondiaux de biomasse végétale, le Brésil est bien placé pour mener cette transition, mais les matières premières lignocellulosiques (contenant de la lignine, de l’hémicellulose et de la cellulose) sont difficiles à déconstruire ou (plus techniquement) récalcitrantes à la dégradation microbienne et enzymatique. .

Des scientifiques brésiliens se tournent vers la nature pour découvrir comment des stratégies visant à augmenter la disponibilité des sucres que contiennent ces matériaux peuvent améliorer leur dépolymérisation. À Campinas (État de São Paulo), un groupe de recherche du Laboratoire national brésilien des biorenouvelables (LNBR), une branche du Centre brésilien de recherche sur l’énergie et les matériaux (CNPEM), a mené une étude interdisciplinaire impliquant les omiques (génomique, protéomique, métabolomique, etc.) et la lumière synchrotron et ont découvert deux nouvelles familles d’enzymes à potentiel biotechnologique produites par des micro-organismes dans l’intestin des capybaras.

Les deux familles d’enzymes agissent sur les composants des parois cellulaires végétales et peuvent donc être utilisées pour produire des biocarburants, des produits biochimiques et des biomatériaux. L’un d’eux a également des applications potentielles dans l’industrie laitière car il favorise la dégradation du lactose.

« L’une de nos lignes de recherche explore la diversité brésilienne à la recherche de nouveaux mécanismes microbiens qui réduisent la récalcitrance des déchets lignocellulosiques. Nous avons noté que le capybara est un herbivore très adapté capable d’obtenir de l’énergie à partir de déchets végétaux récalcitrants et qu’il n’a pas été très étudié. beaucoup », a déclaré Mário Tyago Murakami, directeur scientifique du LNBR et dernier auteur de l’article rapportant l’étude publiée dans Communication Nature.

Le capybara (Hydrochoerus hydrochaeris) est le plus grand rongeur vivant au monde et convertit très efficacement les sucres contenus dans les plantes en énergie, bien qu’il soit détesté dans certains milieux car il peut héberger la tique qui transmet la fièvre boutonneuse brésilienne, une maladie infectieuse rare mais très mortelle. causée par la bactérie Rickettsia rickettsii.

« Il existe de nombreuses études sur les ruminants, en particulier les bovins, mais les informations sur les herbivores monogastriques sont relativement rares. Contrairement aux ruminants, les capybaras digèrent l’herbe et d’autres matières végétales dans le caecum, la première partie du gros intestin. conversion, et parce que les capybaras de la région de Piracicaba [of São Paulo state] se nourrissent de canne à sucre, entre autres plantes, nous sommes partis de l’hypothèse que les micro-organismes présents dans le tube digestif de l’animal pourraient avoir des stratégies moléculaires uniques pour dépolymériser cette biomasse, qui est très importante pour l’industrie brésilienne », a déclaré Gabriela Felix Persinoti, chercheuse en bioinformatique au LNBR. et auteur correspondant de l’article.

Nouvelle méthodologie

L’approche interdisciplinaire utilisée dans l’étude comprenait la multi-omique (génomique, transcriptomique et métabolomique utilisée pour caractériser les aspects moléculaires du microbiote intestinal du capybara) et la bioinformatique, ainsi que les accélérateurs de particules du CNPEM pour analyser les enzymes découvertes au niveau atomique. « Je ne me souviens d’aucune étude ayant combiné toutes ces techniques, y compris l’utilisation de la lumière synchrotron [a source of extremely bright electromagnetic radiation that helps scientists observe the inner structures of materials] », a déclaré Murakami. « Dans cette recherche, notre analyse a approfondi la communauté microbienne jusqu’à la structure atomique de certaines protéines. »

Les scientifiques ont analysé des échantillons prélevés dans le caecum et le rectum de trois capybaras femelles euthanasiées à Tatuí (État de São Paulo) en 2017 dans le cadre de la politique locale de contrôle de la population de capybara. Les animaux n’étaient ni gestants ni infectés par R. rickettsii.

« Les échantillons cæcaux et rectaux ont été prélevés par chirurgie abdominale. Le matériel a été congelé dans de l’azote liquide. Des échantillons d’ADN et d’ARN ont été extraits en laboratoire et soumis à un séquençage à grande échelle à l’aide d’omiques intégratives », a déclaré Persinoti.

Ils ont commencé par séquencer des gènes marqueurs, en l’occurrence 16S, présents chez toutes les bactéries et archées. « Avec ce premier séquençage, nous avons pu détecter des différences entre les échantillons cæcaux et rectaux et identifier les principaux micro-organismes qu’ils contiennent. Le gène 16S nous a donné une réponse superficielle sur les micro-organismes plus ou moins abondants, mais ne nous a pas dit quelles enzymes les micro-organismes produisaient ou quelles enzymes étaient présentes dans leurs génomes », a-t-elle expliqué.

« A cet effet, nous avons utilisé une autre technique omique, la métagénomique. Nous avons soumis l’ADN de l’ensemble de la communauté microbienne du tractus gastro-intestinal des capybaras à un séquençage à grande échelle, obtenant une plus grande quantité de données. En déployant un éventail d’outils bioinformatiques, nous avons été capable non seulement d’identifier les génomes présents dans chacun des échantillons, et les gènes dans chacun des génomes, mais aussi de savoir quels gènes étaient nouveaux et quels micro-organismes n’avaient jamais été décrits. fonctions des gènes qui avaient le potentiel d’aider à dépolymériser la biomasse et à convertir le sucre en énergie. »

Les chercheurs ont également voulu savoir quels micro-organismes étaient les plus actifs au moment où les échantillons ont été prélevés, c’est-à-dire quels gènes les micro-organismes exprimaient réellement. Pour cela, ils ont utilisé la métatranscriptomique, dont la matière première est l’ARN. « Une autre technique que nous avons utilisée était la métabolomique, pour confirmer quels métabolites les micro-organismes produisaient », a déclaré Persinoti. « En combinant toutes ces informations issues des omiques, de la bioinformatique et de l’expression génique réelle et potentielle, nous avons pu déchiffrer le rôle des micro-organismes intestinaux dans la réalisation d’une conversion aussi efficace des fibres végétales et découvrir quels gènes étaient impliqués dans le processus. »

Ils ont ensuite analysé toutes ces données pour identifier des gènes qui pourraient jouer un rôle clé dans la réduction de la récalcitrance des fibres végétales, en se concentrant principalement sur des cibles jusqu’alors inconnues. « La stratégie de sélection s’est concentrée sur de nouveaux génomes avec une abondance de gènes impliqués dans la dépolymérisation de la biomasse végétale », a déclaré Persinoti. « Nous avons vu comment ces gènes étaient organisés dans les génomes des micro-organismes et avons exploité ces informations pour savoir s’il existait à proximité des gènes aux fonctions inconnues qui pourraient être impliqués dans la dégradation des fibres végétales récalcitrantes. C’est important car cela guide la recherche de de nouveaux gènes, mais ce n’est que lorsque nous avons pu démontrer ces résultats expérimentalement à un stade ultérieur que nous avons pu établir la création de ces nouvelles familles d’enzymes. »

Après avoir identifié ces candidats, ils sont passés à une démonstration biochimique de leurs fonctions. « Nous avons synthétisé les gènes in vitro et les avons exprimés à l’aide d’une bactérie pour produire les protéines correspondantes », a déclaré Persinoti. « Nous avons effectué plusieurs tests enzymatiques et biochimiques pour découvrir les fonctions de ces protéines et où elles agissaient. Nous avons déterminé les structures atomiques des protéines à l’aide de la lumière synchrotron et d’autres techniques. Avec ces informations fonctionnelles et structurelles, nous avons pu faire d’autres expériences pour trouver déterminer quelles régions des protéines étaient essentielles à leur activité et analyser les mécanismes moléculaires sous-jacents à leurs fonctions. »

Selon Murakami, la double validation garantissait que de nouvelles familles étaient effectivement impliquées. « Nous avons sélectionné un gène peu similaire à celui que nous avions étudié précédemment dans l’ensemble des séquences qui formaient théoriquement l’univers d’une famille nouvellement découverte. Nous avons synthétisé le gène, l’avons purifié, caractérisé biochimiquement et montré que la séquence avait le même propriétés fonctionnelles que la précédente », a-t-il expliqué. « En d’autres termes, nous avons caractérisé un deuxième membre de la nouvelle famille afin d’être absolument sûrs que ces protéines constituaient bien une nouvelle famille. »

Nouveaux enzymes et cocktails

Persinoti a révélé que l’une des familles nouvellement découvertes appelée GH173 a des applications potentielles dans l’industrie alimentaire, tandis qu’une autre appelée CBM89 est associée à la reconnaissance des glucides et pourrait faciliter la production d’éthanol de deuxième génération à partir de bagasse et de paille de canne à sucre.

Les chercheurs développent également des cocktails enzymatiques avec des champignons hyperproducteurs d’enzymes, et les enzymes nouvellement découvertes pourraient naturellement être incluses dans ces plateformes fongiques. « La découverte de nouvelles familles d’enzymes peut être intégrée au transfert de technologie pour soutenir l’innovation », a déclaré Murakami. « Dans notre groupe, nous sommes très intéressés par l’exploration de ce grand trésor de la biodiversité brésilienne, en particulier pour comprendre ce que nous appelons la matière génomique noire – des parties de ces communautés microbiennes complexes au potentiel inconnu. Notre centre dispose d’une excellente infrastructure à cet effet et, avec nos partenariats avec des universités publiques, cela a permis de faire des recherches compétitives de ce type au Brésil.En effet, 99% du travail, de la conception à l’exécution, l’analyse et la rédaction, a été fait ici.Compte tenu de l’immense richesse de la biodiversité brésilienne , il fallait s’attendre à ce que nous ayons les conditions et les capacités nécessaires pour faire des découvertes à fort impact comme celles-ci. »