Découverte d’un nouveau phénomène qui change la donne pour une bioproduction efficace de produits chimiques utiles

Une collaboration de recherche a découvert un nouveau mécanisme par lequel le glucose capturé par E. coli est ensuite sécrété par la cellule bactérienne sous forme de glucose-6-phosphate (G6P). Cette découverte a des applications importantes pour améliorer les méthodes de production durable de composés aromatiques utiles et de matières premières pour les industries médicale, alimentaire et chimique (entre autres) à partir de la biomasse. Le groupe de recherche était composé du professeur agrégé Tanaka Tsutomu de la Graduate School of Engineering de l’Université de Kobe, du chercheur postdoctoral spécial Fujiwara Ryosuke et du chercheur Noda Shuhei et al. du RIKEN Center for Sustainable Resource Science, et le professeur Umetsu Mitsuo et al. de l’École supérieure d’ingénierie de l’Université de Tohoku.

Sur la base du mécanisme découvert, les chercheurs ont développé avec succès une nouvelle technique pour augmenter la production du composé cible en combinant l’ingénierie métabolique et l’ingénierie de surface cellulaire.

On espère qu’en appliquant cette technique, il sera possible d’augmenter considérablement la quantité de composé cible produit en ajoutant une petite quantité « d’épice métabolique » au bouillon de culture du microbe.

Ces résultats de recherche ont été publiés dans Ingénierie métabolique le 5 mars 2022.

Points principaux

Fond de recherche

Un grand avantage des produits dérivés de la biomasse (ressources renouvelables à faible coût et abondantes dans la nature, telles que l’herbe et les arbres) est qu’ils sont neutres en carbone ; leur production et leur élimination n’augmentent pas les niveaux de CO2 dans l’atmosphère. Dans les technologies de bioproduction, cette biomasse est utilisée comme matière première et des microbes lui sont appliqués pour produire des composés cibles (par exemple, des composés aromatiques pour les industries chimiques, pharmaceutiques et alimentaires, entre autres). Le développement de ces technologies contribue aux ODD et est vital pour la réalisation d’une société à faibles émissions de carbone.

Le groupe de recherche du professeur agrégé Tanaka a exposé des enzymes de décomposition de la biomasse à la surface d’une variété de microbes et a développé une technologie d’ingénierie de surface cellulaire pour améliorer la résolution spatiale de la biomasse. Les microbes dégradent les sucres présents dans la biomasse végétale tels que la cellulose et le cellooligosaccharide en glucose. Dans leur étude précédente, les chercheurs ont modifié métaboliquement les microbes afin que le glucose dégradé soit capturé par les microbes et utilisé uniquement pour produire le composé cible.

Au cours de ces recherches, ils ont découvert un nouveau phénomène totalement indépendant de la dégradation de la biomasse. Ils ont découvert que la production du composé cible était augmentée par l’expression enzymatique en surface. En utilisant ce phénomène, ils ont démontré qu’il était possible d’augmenter le taux et la quantité de production de composés dérivés de la biomasse, contribuant à la décarbonisation de la production de matière. Le groupe a ensuite mené d’autres recherches dans le but de comprendre le mécanisme de ce phénomène et de l’appliquer aux épices métaboliques.

Méthodologie de recherche

Ce groupe de recherche a découvert un phénomène complètement nouveau selon lequel une partie du glucose capturé par le micro-organisme modèle E. coli est éjecté de la cellule bactérienne sous forme de glucose-6-phosphate (G6P). Normalement, les microbes convertissent continuellement le glucose (leur source de nutrition) en G6P et le capturent à l’intérieur de leurs cellules. Jusqu’à présent, on pensait que le G6P n’était pas éjecté des cellules bactériennes une fois capturé. Cette étude a révélé un nouveau mécanisme par lequel E. coli éjecte le G6P, contredisant la théorie communément acceptée. L’enzyme de dégradation de la biomasse est exprimée à la surface cellulaire du microbe et éjecte le G6P. Les chercheurs ont découvert que le piégeage temporaire de ce G6P stimulait le métabolisme à l’intérieur des cellules d’E. coli, augmentant ainsi la production du composé cible.

Ensuite, le groupe de recherche a utilisé ce mécanisme pour localiser diverses protéines capables de piéger le G6P à la surface des cellules bactériennes. De cette façon, ils ont développé une nouvelle technique pour augmenter la production de composés cibles. Ils ont démontré avec succès la nouvelle technique en produisant des quantités accrues de phénylalanine, un acide aminé aromatique.

En outre, ils ont également augmenté la production de l’acide aminé aromatique tyrosine et de l’acide muconique (un acide dicarboxylique utile) en utilisant la technique développée. L’acide muconique, en particulier, est un produit chimique industriel très important et utile. Il peut être facilement converti en acide adipique, un ingrédient dans la production de nylon et est également utilisé comme matière première dans la production de divers médicaments et produits chimiques. Ces résultats démontrent que cette nouvelle technique est très polyvalente et peut être appliquée à la production de divers composés chimiques.

Développements ultérieurs

Le groupe de recherche a confirmé que, comme alternative à l’expression des protéines à la surface des cellules bactériennes, il est possible de provoquer le même phénomène en ajoutant une molécule spéciale au bouillon de culture. Les chercheurs ont nommé de petites molécules possédant cette caractéristique des « épices métaboliques » et travaillent actuellement à leur développement. Ils espèrent augmenter la production de composés cibles simplement en ajoutant une petite quantité d’épice métabolique au bouillon de culture du microbe, sans avoir besoin de modifier génétiquement le microbe.

De plus, cette technique améliore des voies métaboliques spécifiques et augmente l’apport de précurseurs à diverses substances utiles). Elle peut également être appliquée même dans les cas où le produit final ne peut être déterminé. De plus, les résultats de cette étude ont montré qu’un niveau modéré de sélectivité et d’affinité avec le G6P est suffisant.

L’approche métabolique des épices est différente des approches existantes pour découvrir des produits chimiques avec une sélectivité et une affinité élevées. Par conséquent, il est probable qu’il existe de nouveaux candidats pour l’approche des épices métaboliques parmi les «produits chimiques rejetés» catalogués dans les bibliothèques chimiques conservées par diverses industries. On espère que cela conduira à de nouvelles collaborations université-industrie, même avec des entreprises qui n’ont jamais été impliquées dans la bioproduction.