Les bactéries artificielles offrent un nouveau moyen puissant de lutter contre le changement climatique

Les chercheurs ont découvert une nouvelle voie dans les bactéries qui a le potentiel de décarboniser diverses industries. Cette percée pourrait réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre générés lors de la production de carburants, de médicaments et de produits chimiques.

Un effort de recherche collaboratif entre le Lawrence Berkeley National Laboratory et l’UC Berkeley a abouti à l’ingénierie de bactéries capables de générer des produits uniques à base de carbone. Cette percée pourrait ouvrir une voie prometteuse vers la production de produits biochimiques durables.

La découverte, récemment publiée dans la revue Nature, exploite les bactéries pour intégrer des réactions enzymatiques naturelles avec une nouvelle réaction connue sous le nom de « réaction de transfert de carbène ». Cette recherche a le potentiel d’atténuer les émissions industrielles en fournissant des alternatives durables aux méthodes de fabrication de produits chimiques conventionnels qui dépendent généralement des combustibles fossiles.

“Ce que nous avons montré dans cet article, c’est que nous pouvons tout synthétiser dans cette réaction – des enzymes naturelles aux carbènes – à l’intérieur de la cellule bactérienne. Tout ce que vous devez ajouter est du sucre et les cellules font le reste », a déclaré Jay Keasling, chercheur principal de l’étude et PDG du Joint BioEnergy Institute (JBEI) du Département de l’énergie.

Les carbènes sont des produits chimiques à base de carbone hautement réactifs qui peuvent être utilisés dans de nombreux types de réactions. Pendant des décennies, les scientifiques ont voulu utiliser les réactions carbène dans la fabrication de carburants et de produits chimiques, ainsi que dans la découverte et la synthèse de médicaments.

Mais ces procédés au carbène ne pouvaient être réalisés qu’en petits lots via des tubes à essai et nécessitaient des substances chimiques coûteuses pour conduire la réaction.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont remplacé des réactifs chimiques coûteux par des produits naturels pouvant être produits par une souche modifiée de la bactérie Streptomyces. Parce que les bactéries utilisent le sucre pour produire des produits chimiques par le biais du métabolisme cellulaire, “ce travail nous permet d’effectuer la chimie du carbène sans solvants toxiques ni gaz toxiques généralement utilisés dans la synthèse chimique”, a déclaré le premier auteur Jing Huang, chercheur postdoctoral au Berkeley Lab dans le Keasling. Laboratoire. “Ce processus biologique est beaucoup plus respectueux de l’environnement que la façon dont les produits chimiques sont synthétisés aujourd’hui”, a déclaré Huang.

Au cours d’expériences au JBEI, les chercheurs ont observé la bactérie modifiée alors qu’elle métabolisait et convertissait les sucres en précurseur de carbène et en substrat d’alcène. La bactérie exprimait également une enzyme P450 évoluée qui utilisait ces produits chimiques pour produire des cyclopropanes, des molécules à haute énergie qui pourraient potentiellement être utilisées dans la production durable de nouveaux composés bioactifs et de biocarburants avancés. « Nous pouvons maintenant effectuer ces réactions intéressantes à l’intérieur de la cellule bactérienne. Les cellules produisent tous les réactifs et les cofacteurs, ce qui signifie que vous pouvez étendre cette réaction à de très grandes échelles » pour la fabrication de masse, a déclaré Keasling.

Le recrutement de bactéries pour synthétiser des produits chimiques pourrait également jouer un rôle essentiel dans la réduction des émissions de carbone, a déclaré Huang. Selon d’autres chercheurs du Berkeley Lab, près de 50 % des émissions de gaz à effet de serre proviennent de la production de produits chimiques, de fer et d’acier et de ciment. Limiter le réchauffement climatique à 1,5 degré

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Huang a déclaré que si ce système entièrement intégré peut être envisagé pour un grand nombre de molécules donneuses de carbène et de substrats d’alcène, il n’est pas encore prêt pour la commercialisation.

« Pour chaque nouvelle avancée, quelqu’un doit faire le premier pas. Et en science, cela peut prendre des années avant de réussir. Mais vous devez continuer à essayer – nous ne pouvons pas nous permettre d’abandonner. J’espère que notre travail inspirera d’autres personnes à continuer à rechercher des solutions de biofabrication plus vertes et durables », a déclaré Huang.

Référence : Jing Huang, Andrew Quest, Pablo Cruz-Morales, Kai Deng, Jose Henry Pereira, Devon Van Cura, Ramu Kakumanu, Edward EK Baidoo, Qingyun Dan, Yan Chen, Christopher J. Petzold, Trent R. Northen, Paul D. Adams, Douglas S. Clark, Emily P. Balskus, John F. Hartwig, Aindrila Mukhopadhyay et Jay D. Keasling, 3 mai Nature.
DOI : 10.1038/s41586-023-06027-2

L’étude a été financée par le DOE Office of Science et le DOE Office of Biological and Environmental Research. Un soutien supplémentaire a été fourni par la National Science Foundation.