La recherche montre le potentiel des graines oléagineuses pour la création de bioproduits

La phytologie ouvre des possibilités prometteuses pour créer des bioproduits respectueux de l’environnement – ​​carburants, lubrifiants et autres produits qui remplacent ceux à base de pétrole. Des chercheurs de l’Institut de l’agriculture et des ressources naturelles de l’Université du Nebraska–Lincoln explorent une gamme d’approches novatrices.

Un axe clé concerne de nouveaux types d’huiles végétales avec des structures d’acides gras qui permettent la production de biomatériaux en quantité significative. Pour créer ces huiles à l’échelle nécessaire, les scientifiques doivent d’abord mener des recherches complexes pour comprendre les enzymes et les gènes des huiles.

Les recherches menées par le biochimiste Husker Ed Cahoon et ses collègues font progresser ces connaissances scientifiques. Le journal Actes de l’Académie nationale des sciences a récemment publié les découvertes de Cahoon et de ses collaborateurs au Center for Plant Science Innovation and Department of Biochemistry du Nebraska, au Brookhaven National Laboratory à New York, à l’Université Prince of Songkla en Thaïlande et à l’Université agricole de Huazhong en Chine.

Le projet IANR a étudié un acide gras spécifique et inhabituel chez Thunbergia, une vigne tropicale. L’acide est inhabituel en ce que les produits chimiques végétaux ont des chaînes moléculaires non conventionnelles qui confèrent de nouvelles propriétés fonctionnelles aux huiles végétales. Comprendre les enzymes qui créent l’acide gras était essentiel pour les chercheurs. En raison de leurs propriétés distinctes, ces enzymes sont particulièrement adaptées pour produire des plantes génétiquement modifiées riches en acides gras.

Le sorgho génétiquement modifié, par exemple, se prête bien à une telle modification génomique et est au centre des préoccupations de Cahoon et de ses collègues de l’IANR. Ainsi modifié, l’acide gras du sorgho a un fort potentiel pour faciliter la production de biocarburants et de biomatériaux.

« La nature fait que les enzymes font certaines choses », a déclaré Cahoon, professeur de biochimie George W. Holmes. « Si nous pouvons apprendre des plantes qui font quelque chose de différent, nous pouvons concevoir les enzymes pour qu’elles aient de nouvelles fonctions », comme la création de produits chimiques spécialisés. Ces efforts sont connus sous le nom d’ingénierie des protéines, issus de la compréhension des enzymes des graines oléagineuses et de leurs structures tridimensionnelles.

Comme Cahoon et ses collègues l’écrivent dans leur nouvel article, les études d’acides gras monoinsaturés inhabituels « ont fourni une mine d’informations biochimiques et d’utilité biotechnologique ». (Les graisses monoinsaturées ont une « double liaison » dans leur structure moléculaire, ce qui fait que l’huile est liquide à température ambiante mais solide lorsqu’elle est réfrigérée.)

L’acide pétrosélinique était le principal acide gras inhabituel étudié par Cahoon et ses collègues dans leur analyse de Thunbergia. Les scientifiques ont découvert que les graines de la plante étaient extraordinairement riches en acide, qui a un fort potentiel de biomatériaux. L’acide pétrosélinique représentait plus de 90 % du poids des huiles de graines.

Thunbergia « est une belle vigne ornementale et belle, mais nous ne pourrions jamais la cultiver comme culture dans le Nebraska », a déclaré Cahoon, directeur du Center for Plant Science Innovation. « Mais nous pouvons trouver les gènes qui fabriquent l’acide gras inhabituel, et nous pouvons ensuite les intégrer dans le sorgho et les oléagineux pour créer des huiles de plus grande valeur. »

La recherche de l’IANR a été financée par une subvention de 3,8 millions de dollars sur cinq ans du Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation du Département américain de l’énergie. Cahoon et Thomas Clemente, professeur émérite Eugene W. Price de biotechnologie au Nebraska, font partie de l’éventail de scientifiques à l’échelle nationale qui contribuent à la recherche pour le centre.

Parmi les centres d’intérêt du Centre d’innovation avancée en bioénergie et en bioproduits se trouve un concept de « plantes en tant qu’usines » par lequel le génie génétique produit des cellules végétales ayant des propriétés liées aux bioproduits. Le sorgho, avec la canne à sucre, est l’un des « plus grands producteurs de biomasse au monde », note le centre, « avec un potentiel démontré d’accumulation d’huile dans la biomasse végétative après une ingénierie métabolique réussie ».

La recherche de l’IANR « a à la fois un aspect fondamental d’apprendre de nouvelles choses sur les acides gras et les enzymes », a déclaré Cahoon. « La deuxième partie essaie d’utiliser ces informations pour concevoir de nouveaux types d’huiles qui pourraient avoir des applications industrielles et des biocarburants à valeur ajoutée. »

Ce projet de recherche comportait une division du travail de base en trois parties. Cahoon, le chercheur principal, a fait la découverte initiale du niveau extraordinairement élevé d’acide pétrosélinique de l’oléagineux Thunbergia. Lu Gan et Kiyoul Park, des scientifiques postdoctoraux du laboratoire de Cahoon au Center for Plant Science Innovation, ont isolé les gènes des enzymes que la plante utilise pour fabriquer l’acide gras. Parmi les enzymes identifiées figurait une enzyme connue sous le nom de désaturase d’acide gras qui introduit des doubles liaisons – insaturation – à de nouveaux endroits dans les acides gras. De ce fait, ces acides gras possèdent de nouvelles propriétés fonctionnelles des huiles végétales.

Le biologiste structural Qun Liu et le biochimiste John Shanklin du Brookhaven National Laboratory ont effectué des analyses complexes de la structure tridimensionnelle de l’enzyme. Ces informations ont guidé la conception de « nouvelles » désaturases d’acides gras capables de créer des acides gras monoinsaturés introuvables dans la nature.

Gan and Park du Nebraska a ensuite modifié génétiquement des graines oléagineuses de caméline pour produire des huiles végétales riches en acide pétrosélinique.

Cahoon s’intéresse depuis longtemps au développement de nouvelles graines oléagineuses aux avantages innovants. Cet intérêt, remontant à ses années d’études supérieures il y a trois décennies, l’a régulièrement amené à poursuivre la « bioprospection » – en explorant un large éventail de plantes à la recherche de graines avec un niveau élevé d’acides gras inhabituels qui peuvent avoir une nouvelle valeur nutritionnelle ou industrielle. .

La bioprospection n’est pas quelque chose de nouveau dans la communauté scientifique, a-t-il noté. Les plantes produisent des milliers de produits chimiques et cela a stimulé l’étude de la bioprospection par des générations de chercheurs. Certaines découvertes de médicaments découlent de propriétés médicinales associées depuis longtemps à des plantes particulières. Le développement de l’aspirine, par exemple, est né des propriétés reconnues depuis longtemps de l’écorce de saule.

La découverte par Cahoon du niveau élevé d’acides gras inhabituels des graines oléagineuses de Thunbergia est survenue après avoir étudié plusieurs espèces de Thunbergia qu’il avait commandées en ligne. Quelques années plus tôt, sa bioprospection l’a amené à étudier l’oléagineux du cresson violet de Chine, une plante à fleurs originaire du centre de la Chine. Travaillant en collaboration avec un scientifique de l’Université agricole de Huazhong, il a identifié deux nouveaux acides gras inhabituels.

Les scientifiques ont convenu de nommer l’un des acides gras d’après la ville du chercheur chinois en Chine, d’où le nom d’acide wuhanique.

Et l’autre acide gras ? C’est maintenant l’acide nébraskanique officiellement désigné. C’est un excellent lubrifiant, qui pourrait peut-être à l’avenir remplacer les lubrifiants à base de pétrole.