Les scientifiques ont modifié génétiquement des bactéries pour produire deux produits précieux à partir de fibres végétales.

20 décembre 2023

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par Chris Hubbuch, Université de Wisconsin-Madison

Nous nous tournons souvent vers les formes de vie les plus petites pour nous aider à résoudre les plus grands problèmes : les microbes aident à fabriquer des aliments et des boissons, à guérir des maladies, à traiter les déchets et même à nettoyer la pollution. Les levures et les bactéries peuvent également convertir les sucres végétaux en biocarburants et en produits chimiques traditionnellement dérivés des combustibles fossiles - un élément clé de la plupart des plans visant à ralentir le changement climatique.

Maintenant, des chercheurs de l'Université de Wisconsin-Madison ont modifié une bactérie capable de produire deux produits chimiques simultanément à partir de fibres végétales sous-utilisées. Et contrairement aux humains, ces microbes multitâches peuvent accomplir les deux tâches avec la même efficacité.

« À ma connaissance, c'est l'une des premières fois qu'il est possible de fabriquer simultanément deux produits de valeur dans un seul microbe », déclare Tim Donohue, professeur de bactériologie à l'UW-Madison et directeur du Great Lakes Bioenergy Research Center.

La découverte, détaillée dans un article publié dans la revue Applied and Environmental Microbiology, pourrait contribuer à rendre les biocarburants plus durables et commercialement viables.

« En principe, cette stratégie réduit les émissions nettes de gaz à effet de serre et améliore l'économie », explique Donohue. « La quantité d'énergie et de gaz à effet de serre nécessaire pour produire deux produits dans un seul récipient sera inférieure à celle requise pour faire fonctionner deux récipients et produire un produit dans chaque récipient ».

La quête de remplacement des combustibles fossiles par des alternatives durables repose sur l'extraction de la valeur maximale de la biomasse renouvelable. Tout comme avec les produits pétrochimiques, chaque molécule compte : les produits à faible volume mais à grande valeur aident à maintenir le prix des carburants plus abordable.

l'une des plus grandes barrières est une partie de la paroi cellulaire des plantes appelée lignine. La lignine est la source la plus abondante de carbones aromatiques renouvelables au monde, mais sa structure irrégulière la rend notoirement difficile à décomposer en composants utiles.

C'est pourquoi les scientifiques du GLBRC ont étudié une bactérie appelée Novosphingobium aromaticivorans (parfois simplement appelée Novo), qui peut digérer de nombreux composants de la lignine et est relativement facile à modifier génétiquement.

En 2019, des chercheurs ont modifié une souche de Novo capable de produire un ingrédient clé des plastiques tels que le nylon et le polyuréthane, appelé PDC. Plus récemment, une équipe du laboratoire de Donohue a découvert une autre modification qui permet à Novo de produire un autre ingrédient plastique appelé ccMA.

Mais ils ne se sont pas arrêtés là.

« Nous ne résoudrons pas notre problème d'émissions de carbone en ne produisant que deux produits », déclare Ben Hall, un récent doctorant qui a contribué aux recherches.

L'équipe de Donohue a utilisé la modélisation génomique pour dresser une liste de produits potentiels pouvant être fabriqués à partir d'aromatiques de la biomasse. En tête de liste figurait la zéaxanthine, l'un des pigments organiques d'un groupe appelé caroténoïdes.

Les caroténoïdes, qui donnent aux carottes, aux citrouilles, au saumon et même aux flamants roses leurs couleurs distinctives, sont utilisés comme compléments alimentaires, produits pharmaceutiques et cosmétiques et ont une valeur marchande cumulée avoisinant des dizaines de milliards de dollars par an.

Les chercheurs savaient que Novo possédait les gènes permettant de produire un autre caroténoïde ayant peu de valeur sur le marché. En se basant sur la séquence du génome de la bactérie, ils soupçonnaient que la zéaxanthine était une étape intermédiaire menant à ce caroténoïde moins précieux dans le processus utilisé par les cellules pour créer des molécules complexes. Il suffisait simplement d'altérer les bons gènes pour arrêter la ligne d'assemblage digestive au niveau du produit le plus précieux.

En supprimant ou en ajoutant des gènes sélectionnés, ils ont mis au point des souches qui ont produit de la zéaxanthine ainsi que d'autres caroténoïdes précieux - bêta-carotène, lycopène et astaxanthine - lorsqu'elles ont été cultivées sur un composé aromatique couramment présent dans la lignine.

Ensuite, l'équipe a montré que les bactéries modifiées pouvaient produire ces mêmes caroténoïdes à partir d'une solution liquide obtenue à partir de tiges de sorgho broyées et traitées, une solution contenant un mélange d'aromatiques que de nombreuses bactéries industrielles ne peuvent pas digérer.

Hall a ensuite voulu voir ce qui se passerait s'il combinait les modifications génétiques nécessaires pour produire du PDC et un caroténoïde dans le même microbe.

Les souches obtenues ont produit à la fois du PDC et du caroténoïde ciblé, sans que le rendement de l'un ou de l'autre ne soit notablement affecté. Mieux encore, les bactéries ont accumulé les caroténoïdes à l'intérieur de leurs cellules, qui doivent être séparés de la solution contenant le PDC, qu'elles sécrètent.

« Nous séparons déjà les cellules du milieu de culture », explique Hall. « Maintenant nous aurions un produit provenant de chacun ».

The next steps include testing whether engineered strains can simultaneously produce carotenoids and ccMA, which Donohue thinks they will, and to engineer strains to improve yields in industrial conditions.

While there are lucrative markets for each of these products, Donohue and Hall say the real value of the discovery is the ability to add multiple functions to this biological platform.

'To me, it's both the strategy and the products,' Donohue says. 'Now that we've done this, I think it opens the door to see if we can create other microbial chassis that make two products.'

Journal information: Applied and Environmental Microbiology

Provided by University of Wisconsin-Madison