Les arbres constituent la ressource naturelle la plus abondante sur les terres émergées de la Terre, et les scientifiques et ingénieurs de l’Université d’État de Caroline du Nord progressent dans la recherche de moyens de les utiliser comme alternatives durables et respectueuses de l’environnement à la production de produits chimiques industriels à partir du pétrole.
La lignine, un polymère qui rend les arbres rigides et résistants à la dégradation, s’est révélée problématique. Maintenant, ces chercheurs de NC State savent pourquoi. Ils ont identifié la propriété moléculaire spécifique de la lignine (sa teneur en méthoxy) qui détermine à quel point il serait difficile ou facile d’utiliser la fermentation microbienne pour transformer des arbres et d’autres plantes en produits chimiques industriels.
Les résultats nous rapprochent de la fabrication de produits chimiques industriels à partir d’arbres comme alternative économiquement et écologiquement durable aux produits chimiques dérivés du pétrole, a déclaré Robert Kelly, l’auteur correspondant d’une étude. papier dans la revue Avancées scientifiques détaillant la découverte.
Le groupe de Kelly a déjà prouvé que certaines bactéries thermophiles extrêmes, qui prospèrent dans des endroits tels que les sources chaudes du parc national de Yellowstone, peuvent dégrader la cellulose des arbres, mais « pas dans une grande mesure », a-t-il déclaré. « En d’autres termes, pas à un niveau qui aurait un sens économique et environnemental pour la production de produits chimiques industriels. »
Comme l’explique Kelly : « Il s’avère qu’il n’y a pas qu’une faible teneur en lignine en jeu ».
Pour contourner le problème de la teneur élevée en lignine des arbres, Kelly, directeur du programme de biotechnologie de NC State et professeur Alcoa au département de génie chimique et biomoléculaire, travaille depuis plus de 10 ans avec le professeur agrégé Jack Wang, directeur du département de biotechnologie forestière. Programme au College of Natural Resources de NC State. Wang est également membre du corps professoral de la NC Plant Sciences Initiative.
Comme le rapporte le journal Science en 2023, Wang et ses collègues ont utilisé la technologie d’édition du génome CRISPR pour créer des peupliers avec une teneur et une composition modifiées en lignine. Ils se sont concentrés sur les peupliers parce qu’ils ont une croissance rapide, nécessitent une utilisation minimale de pesticides et poussent sur des terres marginales sur lesquelles il est difficile de cultiver des cultures vivrières.
Le groupe de Kelly a découvert que certains de ces arbres édités par CRISPR, mais pas tous, fonctionnaient bien pour la dégradation et la fermentation microbiennes. Comme son ancien doctorat. a expliqué l’étudiant Ryan Bing, il s’avère que ces bactéries ont des appétits différents pour différents types de plantes.
« Nous pouvons exploiter la capacité de certaines bactéries thermophiles provenant de sources chaudes dans des endroits comme le parc national de Yellowstone à manger la matière végétale et à la convertir en produits d’intérêt. Cependant, ces bactéries ont des appétits variables pour différents types de plantes », a déclaré Bing, qui travaille maintenant comme ingénieur métabolique principal pour Capra Biosciences à Sterling, en Virginie.
« La question était pourquoi ? Qu’est-ce qui rend une plante meilleure qu’une autre ? » il a expliqué. « Nous avons trouvé une réponse à cette question en examinant comment ces bactéries mangent des matières végétales de compositions variées. »
Dans une étude de suivi, Kelly et Bing ont testé dans quelle mesure une bactérie génétiquement modifiée isolée à l’origine des sources chaudes du Kamchutka, en Russie, Anaerocellum bescii, a détruit les peupliers modifiés par Wang avec une teneur et une composition en lignine nettement différentes.
Les chercheurs ont découvert que plus la teneur en lignine méthoxy de l’arbre était faible, plus il était dégradable.
« Cela a dissipé le mystère de savoir pourquoi une faible teneur en lignine ne constitue pas à elle seule la clé : le diable se cache dans les détails », a déclaré Kelly. « Une faible teneur en méthoxy rend probablement la cellulose plus disponible pour les bactéries. »
Wang avait créé les peupliers à faible teneur en lignine pour qu’ils soient meilleurs pour la fabrication du papier et d’autres produits fibreux, mais des recherches récentes suggèrent que les peupliers artificiels qui ont non seulement une faible teneur en lignine mais également une faible teneur en méthoxy sont les meilleurs pour fabriquer des produits chimiques par fermentation microbienne.
Les peupliers artificiels de Wang poussent bien en serre, mais les résultats des tests sur le terrain ne sont pas encore disponibles. Le groupe de Kelly a déjà montré que les peupliers à faible teneur en lignine peuvent être convertis en produits chimiques industriels, tels que l’acétone et l’hydrogène gazeux, avec des résultats économiques favorables ainsi qu’un faible impact environnemental.
Si ces arbres résistent sur le terrain et « si nous continuons à travailler de notre côté », a déclaré Kelly, « nous aurons des microbes qui fabriquent de grandes quantités de produits chimiques à partir des peupliers, maintenant que nous connaissons le marqueur à rechercher : la teneur en méthoxy. « .
Cela donne aux chercheurs, comme Wang, une cible spécifique pour produire des lignées de peupliers les mieux adaptées à la production chimique. Wang et ses collègues ont récemment lancé des essais sur le terrain de peupliers avancés modifiés à la lignine pour répondre à cette question.
À l’heure actuelle, il est possible de fabriquer des produits chimiques à partir des arbres par des moyens traditionnels : couper le bois en morceaux plus petits, puis utiliser des produits chimiques et des enzymes pour le prétraiter en vue d’un traitement ultérieur.
L’utilisation de microbes modifiés pour décomposer la lignine offre des avantages, notamment des besoins énergétiques moindres et un impact environnemental moindre, a déclaré Kelly.
Les enzymes peuvent être utilisées pour décomposer la cellulose en sucres simples, mais elles doivent continuellement être ajoutées au processus. Certains micro-organismes, en revanche, produisent continuellement les enzymes clés qui rendent le processus microbien plus économique, a-t-il expliqué.
« Ils peuvent également faire un bien meilleur travail que les enzymes et les produits chimiques », a ajouté Kelly. « Non seulement ils décomposent la cellulose, mais ils la fermentent également en produits, tels que l’éthanol, le tout en une seule étape.
« Les températures élevées auxquelles ces bactéries se développent évitent également de devoir travailler dans des conditions stériles, comme il faudrait le faire avec des micro-organismes moins thermophiles pour éviter la contamination », a-t-il ajouté. « Cela signifie que le processus de transformation des arbres en produits chimiques peut fonctionner comme un processus industriel conventionnel, ce qui le rend plus susceptible d’être adopté. »
Daniel Sulis, un autre auteur de l’article et chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Wang, a déclaré que les catastrophes environnementales alimentées par le changement climatique mettent en évidence le besoin urgent de mener des recherches visant à trouver des moyens de réduire la dépendance aux combustibles fossiles.
« Une solution prometteuse consiste à exploiter les arbres pour répondre aux besoins de la société en produits chimiques, carburants et autres produits d’origine biologique tout en préservant à la fois la planète et le bien-être humain », a ajouté Sulis.
« Ces résultats font non seulement avancer le domaine, mais jettent également les bases d’autres innovations dans l’utilisation des arbres pour des applications biosourcées durables. »
Plus d’informations :
Ryan Bing et al, Au-delà d’une faible lignine : identification de la principale barrière à la conversion de la biomasse végétale par les bactéries fermentaires, Avancées scientifiques (2024). DOI : 10.1126/sciadv.adq4941. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq4941