Un nouveau biosystème enzymatique exploite le potentiel du sucre maltose

Des systèmes de réaction à base d’enzymes sans micro-organismes sont maintenant utilisés pour la production d’hydrogène, de bioélectricité et de produits biochimiques utiles. Dans ces biosystèmes, les matières premières appelées substrats sont décomposées par une série d’enzymes (c’est-à-dire des catalyseurs biologiques) pour obtenir le produit final souhaité. Dans plusieurs cas, les substrats sont des glucides tels que le saccharose, la cellulose ou l’amidon. Dans la première étape de ces réactions, le saccharose est converti en dérivés du glucose comme le ɑ-glucose 1-phosphate (ɑ-G1P) ou le glucose 6-phosphate (G6P), qui servent d’intermédiaires importants pour les réactions ultérieures.

Malgré sa praticité d’utilisation et son faible coût, le maltose est rarement utilisé comme substrat pour les biosystèmes enzymatiques. En effet, les enzymes traditionnelles convertissent le maltose en β-G1P au lieu de ɑ-G1P (son image miroir) ou G6P. Contrairement à ɑ-G1P et G6P, β-G1P ne peut pas être traité davantage pour obtenir le produit final souhaité.

Une nouvelle étude, publiée le 01 juillet 2022 dans Recherche BioDesign, a résolu ce problème de manière très innovante. Dans cette étude, des chercheurs chinois ont développé un nouveau biosystème enzymatique synthétique qui permet la biofabrication de produits de valeur utilisant le maltose comme substrat. Le professeur Chun You, chercheur principal de l’étude, commente que « le maltose est si rentable qu’il est le sucre de choix dans l’industrie alimentaire. Mais ses applications en tant que matière première pour la biosynthèse ont longtemps été limitées. Notre nouveau le biosystème de réaction synthétique résout ce problème et permet une utilisation accrue du maltose dans le secteur de la biofabrication. »

Chaque molécule de maltose est composée de deux molécules de glucose, liées par les premier et quatrième atomes de carbone. En comparaison, le saccharose se compose d’une molécule de glucose et d’une molécule de fructose, liées par les premier et deuxième atomes de carbone. Grâce à une approche rigoureuse par étapes, le professeur You et son équipe ont d’abord conçu des processus enzymatiques qui pourraient théoriquement convertir les molécules de glucose du maltose en G6P. Ils ont ensuite purifié individuellement ces enzymes, optimisé la « recette » et construit le biosystème de réaction enzymatique in vitro, composé de trois enzymes : la maltose phosphorylase (MP), la β-phosphoglucomutase (β-PGM) et la polyphosphate glucokinase (PPGK). Leurs résultats préliminaires ont prouvé que leur stratégie était couronnée de succès : le système enzymatique en trois parties pouvait convertir chaque molécule de maltose en deux molécules de G6P.

Fort de ces découvertes, le groupe a entrepris d’atteindre un autre sommet. G6P n’était qu’un intermédiaire. Leur véritable objectif était d’obtenir des produits finaux de valeur à partir de maltose. À cette fin, ils se sont concentrés sur deux produits importants, dont le premier était le fructose 1,6-diphosphate (FDP). Le FDP a été choisi en raison de sa valeur clinique dans le traitement des lésions ischémiques, des convulsions et des complications du diabète. Le deuxième produit était la bioélectricité, une forme d’énergie respectueuse de l’environnement.

Deux systèmes de réaction distincts ont été conçus pour ces produits finaux. Le module enzymatique en trois parties était le composant principal de ces deux systèmes de réaction. Par la suite, le premier système de réaction a été alimenté en enzymes en aval pour la synthèse de FDP à partir de G6P, tandis que des enzymes permettant la génération de bioélectricité à partir de G6P ont été ajoutées au second système.

Grâce à leurs conceptions intelligentes, le biosystème de production de FDP in vitro à 5 enzymes et le système de batterie à 14 enzymes ont atteint la production efficace de FDP et de bioélectricité, respectivement. Le rendement du FDP a pu être augmenté à plus de 88 % du rendement théorique, tandis que la bioélectricité produite avait une efficacité énergétique de plus de 96 % et une densité de puissance maximale de 0,6 milliwatt par centimètre carré.

Ensemble, ces découvertes augmentent les cas d’utilisation du maltose en tant que substrat de biosynthèse. Le professeur You explique que « le potentiel du maltose en tant que matière première pour la biofabrication est largement inexploité. Notre étude propose de nouveaux scénarios d’application pour ce sucre. Alors que nous nous sommes concentrés sur le FDP et la bioélectricité dans cette étude, il existe de nombreuses autres applications, qui peuvent être explorées dans de futures études. » Il ajoute que leur « stratégie représente également une nouvelle approche pour la génération très efficace de bioélectricité et de produits biochimiques utiles ».

Fourni par BioDesign Research