L’augmentation de la population mondiale met l’environnement à rude épreuve. L’agriculture occupe de vastes superficies et rejette des nutriments dans l’environnement. Parallèlement, l’environnement aquatique subit une pression énorme en raison de toutes les formes de production industrielle qui émettent des produits résiduels tels que les eaux usées. Qu’il s’agisse d’exploitations agricoles ou industrielles, elles sont aujourd’hui associées à une consommation d’énergie énorme et aux conséquences qui en découlent sur le climat.
Grâce à une nouvelle avancée scientifique, des chercheurs de la DTU ont réussi à résoudre tous ces problèmes dans leur quête de l’alimentation du futur. En utilisant la cellule de levure Debaryomyces hansenii (D. hansenii), les chercheurs ont montré qu’il était possible d’exploiter certains des flux de déchets problématiques de l’industrie pour produire des protéines à très faible coût et avec une très faible consommation d’énergie. Cela pourrait déplacer la production alimentaire des champs vers des cuves en acier, l’environnement serait épargné par les eaux usées et le climat serait beaucoup moins affecté par le CO2.
Levure tolérante au sel
Depuis de nombreuses années, José Martinez, professeur associé de bio-ingénierie à la DTU, étudie les cellules de levure qui, dans la nature, sont adaptées à des conditions extrêmes telles que des températures élevées, une faible teneur en nutriments ou une salinité élevée. D. hansenii est adaptée aux environnements aquatiques à forte salinité et prospère dans une eau jusqu’à six fois plus salée que l’eau de mer normale. Cela a donné une idée au professeur associé.
« Certaines entreprises produisent des flux de déchets riches en nutriments, mais qui ont aussi une teneur en sel très élevée, ce qui est souvent un problème. La salinité empêche l’utilisation des nutriments et empêche les entreprises de rejeter leurs flux de déchets comme des eaux usées ordinaires, ce qui signifie qu’elles doivent procéder à un traitement spécial, ce qui est coûteux. Pourquoi ne pas essayer de cultiver ce type de levure dans ces flux de déchets salés ? » s’est-il demandé.
Sucre et azote
José et son équipe de recherche ont donc contacté Arla Foods et accepté de tester D. hansenii dans un résidu très salé issu de la production de fromage, un résidu également riche en lactose. L’expérience a dépassé toutes les attentes. Les cellules de levure ont facilement métabolisé les sucres de ce flux de déchets, et plus la teneur en sel était élevée, plus la croissance était efficace. Cependant, la croissance des levures n’était pas aussi efficace qu’elle aurait pu l’être. Il y avait tout simplement trop peu d’azote présent.
Manuel Quirós travaille comme spécialiste chez Novo Nordisk et, comme Martinez, a étudié la levure de type D. hansenii. Lors d’une réunion autour d’un café, les deux biologistes ont discuté des limites des résultats du chercheur de DTU concernant le flux de déchets riches en lactose. Quirós a déclaré que Novo Nordisk se retrouve avec un résidu salé riche en azote lié à la fabrication d’hémophiles, et a pensé que cela pourrait être utile. Et le projet est rapidement passé d’une discussion autour d’un café à une configuration expérimentale.
« Nous avons simplement mélangé les deux flux de déchets salins, celui à forte teneur en lactose et celui à forte teneur en azote. Nous les avons utilisés tels quels. Nous n’avons pas eu besoin d’ajouter d’eau fraîche ni de stériliser la cuve de fermentation, car le sel empêchait la croissance d’autres micro-organismes. C’était prêt à l’emploi », explique le professeur associé.
D. hansenii a prospéré dans ce mélange salé. Mais pour que son intérêt dépasse le cadre de la recherche, la levure devait également produire un produit commercialement intéressant. C’est pourquoi, à l’aide de la technologie génétique CRISPR, l’équipe de recherche de Martinez a modifié D. hansenii pour qu’elle forme une protéine au fur et à mesure de sa croissance.
Une nouvelle façon de penser
La technologie CRISPR permet aux chercheurs de modifier la cellule de levure afin qu’elle puisse produire de nombreuses protéines et autres substances différentes. Au départ, ils ont opté pour une protéine fluorescente qui devait servir de substance modèle. De cette manière, ils ont pu facilement obtenir un objectif de production en mesurant le degré de fluorescence du liquide pendant que les cellules de levure étaient en action.
Les chercheurs ont testé plusieurs mélanges de flux de déchets d’Arla Foods et de Novo Nordisk, et le mélange optimal avait une salinité environ deux fois supérieure à celle de l’eau de mer et une teneur en sucre d’environ 12 grammes par litre.
L’utilisation de la levure de type D. hansenii n’a rien de nouveau. Elle fait l’objet de recherches intenses depuis plusieurs décennies. Mais les chercheurs se sont jusqu’ici attachés à trouver dans les cellules de levure le gène qui les rend tolérantes au sel, puis à essayer de transférer ce gène aux plantes pour qu’elles puissent mieux tolérer une forte salinité. Or, cela s’est avéré extrêmement complexe, car la tolérance au sel semble liée à plusieurs gènes qui fonctionnent ensemble.
Martinez et ses collègues de recherche ont utilisé les cellules de levure elles-mêmes et leurs propriétés de tolérance au sel, puis les ont modifiées pour produire quelque chose que nous pouvons ensuite exploiter. Même si cela semble simple, il a fallu deux ans de recherche intense à Martinez et à ses collègues de recherche pour parvenir à une percée.
Produits commerciaux
La technologie CRISPR ouvre la voie à une large gamme de produits à base de D. hansenii et des déchets de l’industrie. Martinez voit de grandes opportunités dans les substituts du lait, la viande artificielle, divers pigments à base de protéines et les enzymes, par exemple. Mais il est également possible d’utiliser les cellules de levure elles-mêmes sans produire ni protéines ni enzymes. La biomasse de levure elle-même peut être utilisée dans l’alimentation des veaux et d’autres animaux d’élevage, puis la levure peut être utilisée pour traiter la viande, ce qui permet une maturation beaucoup plus efficace.
Mais Martinez ne voit pas seulement de grandes opportunités dans le domaine alimentaire. José participe actuellement à un partenariat de recherche visant à développer des carburants durables. Martinez et son équipe de recherche prévoient de modifier D. hansenii pour produire des lipides (graisses) qui peuvent facilement être convertis en carburant vert.
L’élément durable de la recherche est important pour l’engagement de Novo Nordisk dans le projet.
« Novo Nordisk souhaite assumer l’entière responsabilité de l’ensemble de sa chaîne de valeur. Notre stratégie s’appelle Circular for Zero. Nous nous concentrons sur trois domaines : réduire l’utilisation des ressources, réduire les émissions de CO2 et minimiser les flux de déchets », explique Quirós.
Mise à l’échelle
Les résultats de la recherche sur la cellule de levure D. hansenii sont certes très prometteurs, mais il reste encore beaucoup à faire avant d’exploiter le produit à des fins commerciales. Jusqu’à présent, les chercheurs de la DTU n’ont travaillé qu’à l’échelle du laboratoire, où ils ont testé un à cinq litres de flux de déchets additionnés de cellules de levure.
La prochaine étape de la mise à l’échelle concerne 10 à 30 litres, et Martinez prédit déjà qu’il y aura des défis à relever pour assurer un approvisionnement efficace en oxygène de l’ensemble du volume de liquide. Le passage à plusieurs milliers de litres qui seront nécessaires à une production commerciale présentera d’autres défis inconnus, il faudra donc probablement au moins 10 ans avant de voir des cuves de levure à grande échelle avec D. hansenii.
Mais le chercheur de la DTU est absolument certain que cette avancée scientifique constitue une étape importante dans la transition verte.