Une enzyme dégradant le plastique et une souche bactérienne modifiée viennent d’être lancées dans l’espace avec une mission importante : convertir les déchets plastiques en matériaux recyclés pendant les vols spatiaux.
Actuellement en orbite autour de la Terre à bord de la Station spatiale internationale (ISS), des variantes conçues de Pseudomonas putida et de l’enzyme PETase font partie d’une expérience visant à voir comment la dégradation et le recyclage biologiques du plastique fonctionnent en orbite terrestre basse. Et l’expérience se déroulera entièrement d’elle-même dans une charge utile personnalisée conçue pour la culture et l’échantillonnage autonomes.
L’expérience implique une collaboration avec le MIT Media Lab Space Exploration Initiative, la Harvard Medical School et Seed Health, et est financée en partie par le National Renewable Energy Laboratory (NREL)-led Bio-Optimized Technologies pour garder les thermoplastiques hors des décharges et de l’environnement ( BOTTLE) Consortium, qui est parrainé par le Bureau des technologies bioénergétiques du Département de l’énergie et le Bureau des matériaux avancés et des technologies de fabrication. Les chercheurs de BOTTLE de NREL travaillant sur ce projet incluent la biologiste synthétique Allison Werner, les biochimistes Erika Erickson et Natasha Murphy, les chimistes analytiques Kelsey Ramirez et Morgan Ingraham, et le PDG de BOTTLE Gregg Beckham.
Les deux échantillons – PETase et P. putida – ont été rangés dans une charge utile de bio-expérimentation personnalisée à l’intérieur de la mission de réapprovisionnement SpX-26, qui a quitté le Kennedy Space Center le 26 novembre. Ensemble, l’enzyme et le microbe fournissent une solution pour recycler le polyéthylène téréphtalate (PET), un polyester populaire utilisé dans les vêtements, les bouteilles, etc.
« Ce sera une démonstration de recyclage des plastiques en nouveaux matériaux en orbite terrestre basse », a déclaré Allison Werner, biologiste synthétique et chef de projet au NREL. « Globalement, l’expérience vise à accomplir trois choses : premièrement, tester en vol un nouveau système de culture autonome qui étend les capacités d’expériences sans pilote ; deuxièmement, évaluer l’effet des vols spatiaux sur la dépolymérisation enzymatique du plastique PET ; et troisièmement, étudier le génome et le protéome de bactéries conçues pour convertir le PET dépolymérisé en un précurseur de nylon. »
Cette voie de recyclage commence par l’enzyme PETase qui décompose le plastique PET en son précurseur, l’acide téréphtalique, un produit chimique produit à partir du pétrole à plusieurs millions de tonnes par an. L’acide téréphtalique est ensuite alimenté à P. putida, une bactérie commune du sol avec des voies conçues pour consommer ce composé. Les bactéries convertissent l’acide en un précurseur amélioré pour le nylon, transformant ainsi un déchet plastique en blocs de construction pour un plastique haute performance. Mais pour mener à bien ce cycle sur l’ISS, l’équipe du projet devait inventer une expérience autonome autonome, et leur solution pourrait permettre une nouvelle approche des études microbiennes dans l’espace et d’autres sites distants.
Culture autonome pour expériences à distance
L’équipe du projet voulait trouver une solution pour effectuer des recherches biologiques sans aide pratique dans l’espace. Ben Fram, un doctorat. étudiant à la Harvard Medical School, est l’un des chercheurs du projet contribuant à cette expérience autonome.
« Les expériences biologiques nécessitent beaucoup de prise en main. Les cellules doivent être passées dans de nouveaux milieux et les réactions enzymatiques doivent être rafraîchissantes », a déclaré Fram. « Sans l’aide d’un astronaute, les options expérimentales sur l’ISS sont limitées. »
Pour répondre à ce besoin, l’équipe a inventé une expérience autonome avec échantillonnage chronométré, passage et enregistrement automatique des données. Le système de culture autonome est développé par des chercheurs de la MIT Media Lab Space Exploration Initiative, dont Xin Liu, responsable de la recherche sur le système de charge utile. Liu le décrit comme un système de bioculture compact, modulaire et prêt pour les vols spatiaux avec son protocole d’accompagnement qui permet une culture microbienne continue et une exécution de protocole adaptable sans intervention humaine.
« Il est crucial pour nous de travailler avec des biologistes dès le début afin que nous puissions concevoir le système avec la biologie en son centre et le rendre suffisamment flexible pour répondre aux différentes exigences à mesure que les objectifs de recherche évoluent », a déclaré Liu. « Nous espérons que ce système pourra être un travail fondamental pour une recherche biologique plus accessible pour les vols spatiaux habités. »
La conception de la charge utile de bio-culture est destinée à être open source et sera entièrement expliquée dans une publication à venir. Il utilise du matériel qui peut être acheté auprès de fournisseurs commerciaux et des pièces qui peuvent être imprimées en 3D par n’importe qui, et il est conçu pour accueillir la recherche biologique dans un système fermé. Avec des modifications mineures, il pourrait potentiellement être utilisé dans d’autres recherches à distance, comme la culture dans l’océan ou la glace polaire.
Tout d’abord, les bactéries sont reconstituées à partir de poudre et la PETase est transférée dans un nouveau tampon. Ils sont ensuite déplacés entre les chambres pour être continuellement cultivés et échantillonnés. Les pompes injectent dans les chambres des milieux – des plastiques pour les enzymes et de l’acide pour les bactéries – permettant aux réactions de se produire et aux cellules de se développer. À intervalles réguliers, la boîte enregistre des échantillons en pompant de manière autonome les solutions dans des sacs de conservation, de sorte que la croissance et les produits chimiques soient étalonnés en cours de route. La boîte téléchargera également les données d’analyse à examiner dans les laboratoires. Et sur Terre, la même expérience est en cours à titre de comparaison.
Apprendre des mutants de l’espace
Sans savoir exactement ce qui va changer pour les bactéries dans l’espace, les chercheurs ont des raisons de s’attendre à ce que les résultats terrestres et en microgravité soient différents. Des expériences antérieures ont montré que l’apesanteur affecte le métabolisme, l’expression des gènes et la régulation des protéines dans les micro-organismes, mais l’effet sur les bactéries de valorisation du PET de l’équipe est inconnu. L’effet de la microgravité sur la biocatalyse interfaciale – enzymes dégradant les feuilles de PET – est également inconnu.
« Nous savons que les vols spatiaux auront des effets du rayonnement et de la microgravité, mais nous n’avons pas de connaissance a priori de l’effet de ces facteurs de stress sur les performances de l’enzyme ou de la souche modifiée », a déclaré Werner.
Une fois l’expérience terminée et la boîte d’expérience de retour sur Terre, les scientifiques mesureront l’étendue de la dégradation du plastique en observant à la fois les changements physiques et chimiques dans les chambres. L’équipe va également séquencer l’ADN et analyser les protéines de la bactérie pour évaluer les changements dans l’espace des cultures.
« Pour que cela soit une option viable pour la circularité en orbite terrestre basse, nous devons comprendre quels changements se produisent dans cet environnement et concevoir nos systèmes pour contourner les changements indésirables ou amplifier ceux qui sont souhaitables », a déclaré Werner.
Ces leçons pourraient conduire à la prochaine percée du génie génétique ou pourraient permettre à de futures missions d’utiliser P. putida pour la circularité matérielle et les voyages dans l’espace. Dans les deux cas, les scientifiques auront bientôt de nouvelles connaissances sur la transformation des déchets plastiques.
Plus de voyages dans l’espace prévus
Un voyage séparé dans l’espace pour P. putida a été annoncé cette année, au cours duquel une décomposition oxydative, plutôt qu’enzymatique, des plastiques aura lieu sur l’ISS. Werner et ses collaborateurs du NREL étudieront à nouveau les effets évolutifs des vols spatiaux sur leur micro-organisme, mais pour une voie de recyclage différente. Leur travail a été sélectionné à l’issue d’un concours de pitch et soutiendra également le Consortium BOTTLE.