Les terpénoïdes, la plus grande famille de produits naturels, ont attiré une attention particulière en raison de leurs diverses applications dans des industries telles que les produits pharmaceutiques, les parfums et les biocarburants. Cependant, la synthèse efficace de terpénoïdes à l’aide d’usines cellulaires artificielles a été entravée par l’approvisionnement limité en pyrophosphate d’isoprène (IPP), l’élément clé de la production de terpénoïdes. Aujourd’hui, une équipe de recherche dirigée par Jian Chen de l’Université de Jiangnan en Chine a fait une découverte qui pourrait révolutionner la bioproduction de terpénoïdes.
Dans leur article de recherche publié dans la revue Ingénierie, Chen et son équipe dévoilent une nouvelle approche pour relever le défi de l’offre insuffisante de PPI. En étudiant la distribution des flux métaboliques chez Bacillus subtilis (B. subtilis), les chercheurs ont identifié un déséquilibre entre le métabolisme central et la production d’IPP comme un goulot d’étranglement majeur. Pour surmonter cet obstacle, ils ont conçu une stratégie visant à remodeler le métabolisme de l’IPP à l’aide de circuits TIMO (à deux entrées et multi-sorties) génétiquement codés.
Les circuits TIMO, qui répondent au pyruvate et au malonyl-CoA, ont été conçus pour affiner le flux métabolique vers la synthèse d’IPP. Cette approche de remodelage a abouti à une augmentation remarquable du pool IPP, jusqu’à quatre fois supérieur aux niveaux d’origine. Pour valider l’efficacité de leur technique, les chercheurs ont appliqué les circuits TIMO pour améliorer la production de trois terpénoïdes précieux : la ménaquinone-7 (MK-7), le lycopène et le β-carotène.
Les résultats ont été stupéfiants. Le titre de MK-7, un terpénoïde utilisé dans la prévention de l’ostéoporose, de la calcification artérielle et de la maladie de Parkinson, a atteint un niveau sans précédent de 1 549,6 mg/L dans un bioréacteur de 50 L. Cette réalisation représente le titre de MK-7 le plus élevé signalé à ce jour. De plus, la production de lycopène a été multipliée par neuf et la production de β-carotène a été multipliée par 0,9.
« Cette avancée scientifique ouvre de nouvelles possibilités pour la bioproduction efficace de terpénoïdes », a déclaré Shasha Zhao, rédactrice en chef de Ingénierie. « Le cadre de remodelage du métabolisme IPP assisté par circuit génétique TIMO fournit un outil puissant pour affiner les voies métaboliques complexes. Il a le potentiel de révolutionner la production d’un large éventail de produits chimiques précieux. »
Le succès de cette étude démontre non seulement le potentiel des circuits TIMO pour la production de terpénoïdes, mais met également en évidence leur polyvalence et leur robustesse. Les chercheurs pensent que ce système de régulation peut être appliqué à d’autres cellules du châssis, offrant ainsi une stratégie alternative pour remodeler le métabolisme de l’IPP.
Les implications de cette recherche s’étendent au-delà de la production de terpénoïdes. Les stratégies de régulation dynamique multi-signaux, coordonnées et en cascade utilisées dans cette étude jettent les bases du réglage rationnel et global de voies métaboliques complexes. Cette percée pourrait ouvrir la voie à la production de divers autres produits chimiques, entraînant des progrès dans de multiples industries.
Alors que le monde continue de rechercher des alternatives durables et respectueuses de l’environnement à la synthèse chimique traditionnelle, cette recherche présente une voie prometteuse pour le développement de processus de bioproduction à la fois économiquement viables et respectueux de l’environnement.
Plus d’information:
Xianhao Xu et al, Remodelage du métabolisme du pyrophosphate d’isoprène pour favoriser la bioproduction des terpénoïdes, Ingénierie (2023). DOI : 10.1016/j.eng.2023.03.019