Nouveau pipeline produit des acides organiques précieux à partir de plantes, économisant ainsi de l'argent et des émissions.

3 octobre 2023

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par Julie Wurth, Université de l'Illinois à Urbana-Champaign

Dans une percée en matière de production chimique respectueuse de l'environnement, des chercheurs du Centre pour l'innovation en bioénergie et bioproduits avancés (CABBI) ont mis au point une méthode économique pour produire de l'acide succinique, un produit chimique industriel important, à partir de la canne à sucre.

Le groupe de chercheurs de l'Université de l'Illinois et de l'Université de Princeton a créé un pipeline rentable de bout en bout pour cet acide organique précieux en concevant une levure résistante à l'acide et résistante, éliminant ainsi les étapes coûteuses du traitement en aval. L'acide succinique est un additif largement utilisé dans l'alimentation et les boissons et présente diverses applications dans les produits agricoles et pharmaceutiques.

Le même pipeline peut être utilisé pour produire d'autres acides organiques d'importance industrielle ciblés par le CABBI dans ses travaux de développement de biocarburants et de produits chimiques durables à partir de cultures, a déclaré le co-auteur Huimin Zhao, chef du thème de conversion du CABBI et professeur de génie chimique et biomoléculaire (ChBE) à l'Illinois. Pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles, les chercheurs en conversion déploient des microbes pour convertir la biomasse végétale en produits chimiques utilisés dans les produits de la vie quotidienne, en remplacement de la production pétrolière classique.

« Cela servira de modèle pour tous les autres produits d'ingénierie métabolique dans le cadre du CABBI », a déclaré Zhao, l'un des principaux chercheurs du CABBI sur le projet.

L'étude est publiée dans Nature Communications et les travaux s'appuient sur des années de recherche sur la production d'acide succinique par Zhao et ses collègues en utilisant Issatchenkia orientalis, une levure non conventionnelle idéale pour la production d'acides organiques.

I. orientalis a la capacité unique de prospérer dans des conditions de pH acide, ou acides. La plupart des organismes ont besoin d'un environnement de pH neutre pour survivre, notamment Saccharomyces cerevisiae, une levure plus conventionnelle, ou la bactérie Escherichia coli. Tous deux ont été utilisés par des entreprises et des laboratoires pour produire de l'acide succinique, mais se sont révélés trop coûteux, ce qui a conduit à l'échec des efforts de production à grande échelle, selon Zhao.

Ces microorganismes nécessitent l'ajout d'une base pour neutraliser les conditions acides toxiques afin qu'ils puissent continuer à produire de l'acide succinique. Mais cela génère des produits secondaires, tels que du gypse ou du sulfate de calcium, qui doivent être séparés à la fin du processus pour purifier le produit, ce qui augmente les coûts de traitement en aval.

« L'un des obstacles dans la production d'acides organiques est le coût de la séparation », a déclaré Zhao. « Nous devons ajouter beaucoup de base pour maintenir le pH près de la neutralité, entre 6 et 7. »

Cependant, avec I. orientalis, « l'organisme vit heureux à un pH de 3 à 4 », donc les additifs ne sont pas nécessaires, a déclaré Zhao. « En fin de compte, cela réduit considérablement les coûts. »

Les chercheurs du CABBI ont également réalisé une ingénierie métabolique approfondie pour reconfigurer I. orientalis afin de produire des niveaux robustes d'acide succinique, supérieurs à ceux de S. cerevisiae ou d'E. coli, a-t-il déclaré. En utilisant l'analyse du flux métabolique du laboratoire de Rabinowitz, ils ont identifié les étapes du métabolisme de la levure qui limitaient la production d'acide succinique. Un obstacle majeur : I. orientalis native ne peut pas utiliser le saccharose de la canne à sucre. Une enzyme a donc été ajoutée pour décomposer le saccharose du jus de canne en glucose et fructose afin de produire de l'acide succinique. D'autres gènes ont été introduits pour surproduire l'acide succinique.

En collaboration avec le groupe de Singh à IBRL, l'équipe a ensuite effectué une production d'acide succinique à grande échelle en utilisant un équipement industriellement pertinent pour effectuer une intégration de bout en bout du processus. Les travaux à l'échelle pilote ont montré que les nouvelles souches pouvaient produire jusqu'à 110 g/L d'acide succinique et, après fermentation en lots et traitement en aval, un rendement global de 64% - des résultats impressionnants ayant une importance commerciale, a déclaré Singh.

La combinaison de niveaux de production plus élevés grâce à l'ingénierie génétique et de coûts réduits grâce à l'élimination de la séparation en aval rend le processus « très attractif », a déclaré Zhao. « C'est pourquoi le pipeline est si économique, du moins à cette échelle pilote. »

La dernière étape a consisté à travailler avec Guest pour simuler un pipeline complet de production d'acide succinique à pH bas utilisant la plateforme logicielle open-source BioSTEAM développée par son groupe. L'analyse technico-économique (TEA) et l'évaluation du cycle de vie ont montré que le processus était financièrement viable et pourrait réduire les émissions de gaz à effet de serre de 34% à 90% par rapport aux processus de production à base de combustibles fossiles.

'These advancements in metabolic engineering could have large-scale benefits, simultaneously driving down costs and environmental impacts in support of a circular bioeconomy,' Guest said.

The process emits less carbon dioxide (CO2) than conventional petroleum-based chemical processing. Plants like sugarcane also soak up carbon, and CO2 can be used as a substrate for the process, further reducing its carbon footprint.

'It's definitely more environmentally friendly. That's the premise for all the research in CABBI: using renewable resources to make chemicals and fuels,' Zhao said.

Researchers plan further scale-up studies soon to support commercialization of the succinic acid production process.

The work will also be a template for production of other CABBI products using I. orientalis, including 3-hydroxypropionic acid (3-HP). The market for 3-HP, used in components of disposable diapers and sealants, exceeds $1 billion, and research to date shows huge promise, Zhao said.

'We expect I. orientalis can serve as a general industrial platform for the production of a wide variety of organic acids,' said Vinh Tran, primary author on the paper and a Ph.D. student in ChBE.

The project involved several lab groups and contributions from all three themes of CABBI's research—using sugarcane juice from the Feedstock Production research team, metabolic research and bioprocessing facilities from the Conversion team, and economic and environmental analysis from the Sustainability team.

Co-authors included CABBI researchers Sarang Bhagwat of CEE and Yihui Shen of the Department of Chemistry at Princeton; Somesh Mishra of ABE; Saman Shafaei, Shih-I Tan, Zia Fatma, and Benjamin Crosly of ChBE; and Jayne Allen of CEE.

Journal information: Nature Communications

Provided by University of Illinois at Urbana-Champaign