La cellulose, qui contribue à donner aux parois cellulaires végétales leur structure rigide, est prometteuse en tant que matière première renouvelable pour les biocarburants, si les chercheurs parviennent à accélérer le processus de production. Comparée à la dégradation d’autres biocarburants comme le maïs, la décomposition de la cellulose est lente et inefficace, mais pourrait éviter les inquiétudes liées à l’utilisation d’une source alimentaire tout en tirant parti de matières végétales abondantes qui autrement pourraient être gaspillées. Une nouvelle recherche menée par des enquêteurs de Penn State a révélé comment plusieurs obstacles moléculaires ralentissent ce processus.
L’étude la plus récente de l’équipe, publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciencesdécrit le processus moléculaire par lequel le cellobiose (un fragment de cellulose à deux sucres produit lors de la déconstruction de la cellulose) peut obstruer le pipeline et interférer avec la dégradation ultérieure de la cellulose.
La production de biocarburants repose sur la décomposition de composés comme l’amidon ou la cellulose en glucose, qui peut ensuite être efficacement fermenté en éthanol pour être utilisé comme carburant ou converti en d’autres matériaux utiles. L’option de biocarburant prédominante sur le marché aujourd’hui est produite à partir du maïs, en partie parce que, selon les chercheurs, leurs amidons se décomposent facilement.
« L’utilisation du maïs comme source de biocarburant suscite plusieurs préoccupations, notamment la concurrence avec l’approvisionnement alimentaire mondial et la grande quantité de gaz à effet de serre produite lors de la production d’éthanol à base de maïs », a déclaré Charles Anderson, professeur de biologie au Penn State Eberly College of Science et auteur de l’article.
« Une alternative prometteuse consiste à décomposer la cellulose des parties non comestibles des plantes comme les tiges de maïs, d’autres déchets végétaux comme les résidus forestiers et des cultures potentiellement dédiées qui pourraient être cultivées sur des terres marginales. Le fait que les biocarburants de deuxième génération soient économiquement compétitifs est que le processus actuel de décomposition de la cellulose est lent et inefficace. »
« Nous utilisons une technique d’imagerie relativement nouvelle pour explorer les mécanismes moléculaires qui ralentissent ce processus. »
La cellulose est composée de chaînes de glucose, maintenues ensemble par des liaisons hydrogène dans des structures cristallines. Les scientifiques utilisent des enzymes appelées cellulases, dérivées de champignons ou de bactéries, pour décomposer les matières végétales et extraire le glucose de la cellulose. Mais, selon les chercheurs, la structure cristalline de la cellulose, associée à d’autres composés appelés xylane et lignine, également présents dans les parois cellulaires, constitue un défi supplémentaire pour la dégradation de la cellulose. Les techniques traditionnelles n’ont cependant pas permis de révéler les mécanismes moléculaires spécifiques de ces ralentissements.
Pour explorer ces mécanismes peu clairs, les chercheurs ont marqué chimiquement des cellulases individuelles avec des marqueurs fluorescents. Ils ont ensuite utilisé le microscope SCATTIRSTORM de Penn State, que l’équipe a conçu et construit dans ce but précis, pour suivre les molécules à chaque étape du processus de dégradation et ont interprété les vidéos résultantes à l’aide d’un traitement informatique et d’une modélisation biochimique.
« Les méthodes traditionnelles observent le processus de dégradation à plus grande échelle, manipulent artificiellement la position de l’enzyme ou capturent uniquement les molécules en mouvement, ce qui signifie que vous risquez de manquer une partie du processus naturel », a déclaré Will Hancock, professeur de génie biomédical à l’Université de Pennsylvanie. State College of Engineering et auteur de l’article. « En utilisant le microscope SCATTIRSTORM, nous avons pu observer des enzymes cellulases individuelles en action pour vraiment comprendre ce qui ralentit ce processus et générer de nouvelles idées sur la façon de le rendre plus efficace. »
Les chercheurs ont spécifiquement étudié l’effet d’une enzyme cellulase fongique appelée Cel7A. Dans le cadre du processus de dégradation, Cel7A alimente la cellulose dans une sorte de tunnel moléculaire, où elle est hachée.
« Cel7A déplace la chaîne du glucose vers la « porte d’entrée » du tunnel, la chaîne est fendue et les produits sortent par la « porte arrière » dans une sorte de pipeline », a déclaré Daguan Nong, professeur adjoint de recherche en génie biomédical au Penn State College of Engineering et premier auteur de l’article.
« Nous ne savons pas exactement comment l’enzyme fait passer la chaîne du glucose jusqu’au tunnel ni ce qui se passe exactement à l’intérieur, mais nous savions grâce à des études précédentes que le produit qui sort par la porte arrière, le cellobiose, peut interférer avec le traitement ultérieur de la cellulose. molécules. Maintenant, nous en savons plus sur la manière dont cela interfère.
Dans le tunnel, Cel7A découpe la cellulose, qui contient des unités répétitives de glucose, en fragments de cellobiose à deux sucres. Les chercheurs ont découvert que le cellobiose en solution peut se lier à la « porte arrière » du tunnel, ce qui peut ralentir la sortie des molécules de cellobiose ultérieures, car il bloque essentiellement le passage. De plus, ils ont découvert qu’il pouvait se lier au Cel7A près de la porte d’entrée, empêchant ainsi l’enzyme de se lier à de la cellulose supplémentaire.
« Comme le cellobiose est très similaire à la cellulose, il n’est peut-être pas surprenant que de petits morceaux puissent pénétrer dans le tunnel », a déclaré Hancock. « Maintenant que nous comprenons mieux comment exactement le cellobiose gâche les choses, nous pouvons explorer de nouvelles façons d’affiner ce processus. Par exemple, nous pourrions modifier la porte avant ou arrière du tunnel ou modifier certains aspects de l’enzyme Cel7A. pour être plus efficace dans la prévention de cette inhibition. De nombreux travaux ont été réalisés pour concevoir des enzymes cellulases plus efficaces au cours des deux dernières décennies, et c’est une approche incroyablement puissante. Une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires qui limitent la dégradation de la cellulose nous aidera. diriger cet effort.
Cette recherche s’appuie sur des travaux récents de l’équipe de recherche pour comprendre d’autres obstacles au processus de dégradation – le xylane et la lignine – qu’ils ont récemment publiés dans Durabilité de la RSC et Biotechnologie pour les biocarburants et les bioproduits.
« Nous avons constaté que le xylane et la lignine interfèrent de différentes manières avec la dégradation de la cellulose », a déclaré Nerya Zexer, chercheuse postdoctorale en biologie au Penn State Eberly College of Science et auteur principal de l’article RSC Sustainability. « Le xylane recouvre la cellulose, réduisant ainsi la proportion d’enzymes qui peuvent se lier à la cellulose et la déplacer. La lignine inhibe la capacité de l’enzyme à se lier à la cellulose ainsi que son mouvement, réduisant ainsi la vitesse et la distance de l’enzyme. »
Bien qu’il existe des stratégies pour éliminer les composants tels que le xylane et la lignine de la cellulose, les chercheurs ont déclaré que l’élimination du cellobiose est plus difficile. Une méthode utilise une deuxième enzyme pour cliver le cellobiose, mais elle ajoute un coût et une complexité supplémentaires au système.
« Environ 50 cents par gallon de coûts de production de bioéthanol sont consacrés uniquement aux enzymes, donc minimiser ce coût contribuerait grandement à rendre le bioéthanol issu de déchets végétaux plus compétitif par rapport aux combustibles fossiles ou à l’éthanol à base de maïs », a déclaré Anderson. « Nous continuerons à étudier la manière de concevoir des enzymes et d’explorer la manière dont les enzymes pourraient fonctionner ensemble dans le but de rendre ce processus aussi peu coûteux et efficace que possible. »
L’équipe de recherche de Penn State comprend également Zachary Haviland, étudiant de premier cycle spécialisé en génie biomédical au moment de la recherche ; Sarah Pfaff, étudiante diplômée en biologie au moment de la recherche ; Daniel Cosgrove, titulaire de la Chaire Famille Eberly en biologie; Ming Tien, professeur émérite de biochimie et de biologie moléculaire ; et Alec Paradiso, étudiant de premier cycle spécialisé en biotechnologie.
Plus d’information:
Daguan Nong et al, Le suivi d’une molécule unique révèle une double inhibition porte avant/porte arrière de la cellulase Cel7A par son produit cellobiose, Actes de l’Académie nationale des sciences (2024). DOI : 10.1073/pnas.2322567121