Les micro-organismes qui convertissent efficacement la biomasse végétale en biocarburants et produits biochimiques renouvelables jouent un rôle majeur dans la société durable du futur. Cependant, l’efficacité de ces usines cellulaires microbiennes est inhibée par plusieurs composés qui sont libérés lors de la dégradation de la biomasse en sucres, que les usines cellulaires convertissent ensuite. Comment améliorer ces bioprocédés ? Les chercheurs en biotechnologie industrielle de l’Université Chalmers se rapprochent désormais d’une solution et ont publié leurs résultats dans Progrès de la biotechnologie.
La levure de boulanger, Saccharomyces cerevisiae, est utilisée pour fermenter la lignocellulose à partir de la biomasse végétale afin de produire des biocarburants et des produits biochimiques durables. Mais les performances des cellules sont inhibées par divers composés, tels que les furanes, les acides et les phénols, qui sont libérés lors du prétraitement de la biomasse. Cela remet en question l’utilisation de bioprocédés comme alternative rentable à la production conventionnelle.
Des études visent à augmenter la productivité cellulaire
Une fermentation efficace de la lignocellulose pourrait avoir un grand impact sociétal, et de nombreuses recherches ont déjà été menées dans le domaine. Il existe de nombreuses études dans lesquelles les chercheurs ont modifié génétiquement différentes souches de levure pour augmenter la tolérance des usines cellulaires à différents inhibiteurs, dans le but d’augmenter la productivité cellulaire.
Yvonne Nygård, professeure agrégée de biotechnologie industrielle, et ses collègues de Chalmers ont effectué une analyse compilée des informations issues de recherches antérieures pour le développement ultérieur d’une levure efficace.
« Lors du développement de nouvelles usines cellulaires, nous voulons utiliser toutes les connaissances accumulées. Plus précisément, notre objectif était d’utiliser la nouvelle technologie CRISPR/Cas9 pour combiner et affiner le génie génétique qui s’était précédemment révélé favorable à la fermentation de lignocellulose », explique Yvonne Nygård.
Il existe une énorme quantité de données de recherche antérieures, et la base de données des chercheurs s’est agrandie au fur et à mesure qu’ils creusaient plus profondément.
« En même temps, il nous était plus difficile de choisir parmi toutes les données. De plus, nous avons remarqué que les différentes expériences étaient très différentes, ce qui rendait difficile la comparaison des données et les conclusions. Nous avons fait l’analyse systématique pour aider Il n’a pas fallu longtemps avant que nous ayons eu l’idée de partager la base de données et l’analyse avec d’autres, et nous avons décidé de résumer nos résultats dans une revue », dit-elle.
Les données de 7 971 expériences précédentes ont été recueillies et analysées
Les chercheurs ont recueilli des données à partir de 7 971 expériences précédentes dans le cadre de 103 études dans lesquelles les chercheurs avaient modifié la tolérance de différentes souches de levure de boulanger aux inhibiteurs les plus courants dans la lignocellulose prétraitée (appelée hydrolysat de lignocellulose) : acide acétique, acide formique, furanes , et composés phénoliques. Les mutants inclus dans le test ont montré une tolérance accrue ou réduite à des inhibiteurs individuels ou à des combinaisons d’inhibiteurs.
Les effets des inhibiteurs sur les cellules varient, par exemple, du taux de croissance réduit, de la survie et de la vitalité des cellules au rendement du produit. L’effet inhibiteur est dû à la présence d’inhibiteurs individuels et est affecté par des facteurs environnementaux, notamment le pH, la température et la disponibilité des nutriments.
« Notre analyse a montré que les résultats étaient très souvent caractérisés par la souche et les conditions de culture. Bien que tant de travail ait déjà été fait, relativement peu de modifications génétiques ont été utilisées dans différents contextes de souche ou pour la conversion de différents types de biomasses », explique Yvonne Nygard.
Le développement de nouvelles usines de cellules peut être accéléré
Les travaux vers une nouvelle usine cellulaire peuvent, par exemple, être accélérés en appliquant les modifications génétiques qui présentent un avantage dans plusieurs souches différentes ou des modifications de tolérance à différents inhibiteurs. En outre, l’étude décrit la biologie derrière les diverses modifications génétiques, qui, dans plusieurs études, se sont avérées conduire à de meilleures souches. Ainsi, il contribue à accroître les connaissances sur les exigences pour le développement d’usines cellulaires plus robustes.
Elena Cámara et al, Exploration de données sur les mutants de Saccharomyces cerevisiae conçus pour une tolérance accrue aux inhibiteurs dans les hydrolysats lignocellulosiques, Progrès de la biotechnologie (2022). DOI : 10.1016/j.biotechadv.2022.107947