Nous nous tournons souvent vers les plus petites formes de vie pour nous aider à résoudre les plus gros problèmes : les microbes contribuent à fabriquer des aliments et des boissons, à guérir des maladies, à traiter les déchets et même à nettoyer la pollution. Les levures et les bactéries peuvent également transformer les sucres végétaux en biocarburants et en produits chimiques traditionnellement dérivés des combustibles fossiles – un élément clé de la plupart des plans visant à ralentir le changement climatique.
Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université du Wisconsin-Madison ont conçu des bactéries capables de produire deux produits chimiques en même temps à partir de fibres végétales sous-utilisées. Et contrairement aux humains, ces microbes multitâches peuvent faire les deux aussi bien.
« À ma connaissance, c’est l’une des premières fois où l’on peut fabriquer simultanément deux produits précieux dans un seul microbe », déclare Tim Donohue, professeur de bactériologie à l’UW-Madison et directeur du Great Lakes Bioenergy Research Center.
La découverte, détaillé dans un article dans la revue Microbiologie appliquée et environnementalepourrait contribuer à rendre les biocarburants plus durables et commercialement viables.
« En principe, la stratégie réduit les émissions nettes de gaz à effet de serre et améliore la situation économique », explique Donohue. « La quantité d’énergie et de gaz à effet de serre dont vous avez besoin pour fabriquer deux produits dans un pot sera inférieure à celle nécessaire pour fabriquer deux pots pour fabriquer un produit dans chaque pot. »
Chaque molécule compte
La quête visant à remplacer les combustibles fossiles par des alternatives durables repose sur l’extraction de la plus grande valeur possible de la biomasse renouvelable. Tout comme dans le domaine pétrochimique, chaque molécule compte : des produits à faible volume et de grande valeur contribuent à maintenir le prix du carburant à un prix plus abordable.
L’une des plus grandes barrières est une partie de la paroi cellulaire végétale appelée lignine. La lignine est la source la plus abondante de carbones aromatiques renouvelables au monde, mais sa structure irrégulière rend notoirement difficile sa décomposition en composants utiles.
C’est pourquoi les scientifiques du GLBRC ont étudié une bactérie nommée Novosphingobium spiceivorans (parfois appelée simplement Novo), capable de digérer de nombreux composants de la lignine et relativement facile à modifier génétiquement.
En 2019, des chercheurs ont conçu une souche de Novo capable de produire un ingrédient clé des plastiques comme le nylon et le polyuréthane, connu sous le nom de PDC. Plus récemment, une équipe du laboratoire de Donohue a découvert une autre modification qui permet à Novo de fabriquer un ingrédient plastique différent appelé ccMA.
Mais ils ne se sont pas arrêtés là.
« Nous n’allons pas résoudre notre problème d’émissions de carbone en fabriquant seulement deux produits », déclare Ben Hall, un récent diplômé de doctorat qui a contribué à la recherche.
L’équipe de Donohue a utilisé la modélisation génomique pour dresser une liste de produits potentiels pouvant être fabriqués à partir d’aromatiques de la biomasse. En tête de liste se trouvait la zéaxanthine, l’un des pigments organiques connus sous le nom de caroténoïdes.
Les caroténoïdes, qui donnent aux carottes, aux citrouilles, au saumon et même aux flamants roses leurs teintes distinctives, sont utilisés comme compléments nutritionnels, produits pharmaceutiques et cosmétiques et ont une valeur marchande cumulée de plusieurs dizaines de milliards de dollars par an.
Les chercheurs savaient que Novo possédait les gènes nécessaires pour produire un autre caroténoïde ayant peu de valeur marchande. Sur la base de la séquence du génome de la bactérie, ils soupçonnent que la zéaxanthine est un tremplin vers ce caroténoïde moins précieux dans le processus utilisé par les cellules pour fabriquer des molécules complexes. Il s’agissait simplement de modifier les bons gènes pour arrêter la chaîne d’assemblage digestif au produit le plus précieux.
En supprimant ou en ajoutant des gènes sélectionnés, ils ont conçu des souches qui produisaient de la zéaxanthine ainsi que d’autres caroténoïdes précieux (bêta-carotène, lycopène et astaxanthine) lorsqu’elles étaient cultivées sur un composé aromatique que l’on trouve couramment dans la lignine.
Ensuite, l’équipe a montré que les bactéries modifiées pouvaient produire les mêmes caroténoïdes à partir d’une liqueur fabriquée à partir de tiges de sorgho broyées et traitées, une solution contenant un mélange d’aromatiques que de nombreuses bactéries industrielles ne peuvent pas digérer.
Un pot, deux produits
Hall s’est alors demandé ce qui se passerait s’il combinait les changements génétiques nécessaires à la fabrication de la PDC et d’un caroténoïde dans le même microbe.
Les souches résultantes ont produit à la fois du PDC et du caroténoïde cible, sans perte perceptible de rendement. Mieux encore, les bactéries accumulent des caroténoïdes au sein de leurs cellules, qu’il faut séparer de la solution contenant le PDC qu’elles sécrètent.
« Nous séparons déjà les cellules des médias », explique Hall. « Maintenant, nous aurions un produit issu des deux. »
Les prochaines étapes consistent à tester si les souches modifiées peuvent produire simultanément des caroténoïdes et du ccMA, ce que Donohue pense, et à concevoir des souches pour améliorer les rendements dans des conditions industrielles.
Bien qu’il existe des marchés lucratifs pour chacun de ces produits, Donohue et Hall affirment que la véritable valeur de cette découverte réside dans la capacité d’ajouter de multiples fonctions à cette plateforme biologique.
« Pour moi, c’est à la fois la stratégie et les produits », explique Donohue. « Maintenant que nous avons fait cela, je pense que cela ouvre la porte pour voir si nous pouvons créer d’autres châssis microbiens permettant de fabriquer deux produits. »
Plus d’information:
Benjamin W. Hall et al, Production de caroténoïdes à partir d’aromatiques et de biomasse lignocellulosique prétraitée par Novosphingobium spiceivorans, Microbiologie appliquée et environnementale (2023). DOI : 10.1128/aem.01268-23