C’est un travail difficile, mais quelqu’un doit le faire. Dans ce cas, le “travail” est la décomposition de la lignine, le biopolymère structurel qui donne aux tiges, à l’écorce et aux branches leur caractère boisé caractéristique. L’un des polymères terrestres les plus abondants sur Terre, la lignine entoure de précieuses fibres végétales et d’autres molécules qui pourraient être converties en biocarburants et autres produits chimiques de base – si seulement nous pouvions dépasser cette paroi cellulaire végétale rigide.
Heureusement, le processus plutôt laborieux se produit déjà dans les entrailles des grands herbivores grâce aux actions de microbes anaérobies sur lesquels les vaches, les chèvres et les moutons comptent pour libérer les nutriments piégés derrière le biopolymère. Dans un papier publié dans la revue Nature Microbiology, chercheurs en génie chimique et professeur de génie biologique à l’UC Santa Barbara Chez Michelle O’Malley laboratoire prouvent qu’un groupe de champignons anaérobies – Néocallimastigomycètes — sont à la hauteur de la tâche. Ils ont mené ce travail en collaboration avec des collègues du DOE Joint Genome Institute, Lawrence Berkeley National Laboratory, Joint BioEnergy Institute et Great Lakes Bioenergy Research Center.
“Vous pouvez considérer la lignine comme une sorte de système squelettique pour les plantes”, a déclaré O’Malley, dont les recherches portent sur la recherche et l’accès à des sources alternatives d’énergie et de produits chimiques à partir de ce qui serait autrement considéré comme des déchets végétaux. De plus, a-t-elle dit, la lignine a des propriétés qui rendent la plante résistante à la dégradation physique par les enzymes et les agents pathogènes. “La lignine est vraiment importante – elle fournit cette robustesse et cette structure, mais elle est tout aussi difficile à décomposer pour la même raison.”
Pendant des décennies, on a pensé que la lignine ne pouvait être dégradée qu’en présence d’oxygène. “Cela prend du temps et dépend de certaines espèces chimiques – telles que les radicaux libres – qui, à la connaissance de tous, ne peuvent être fabriquées qu’avec l’aide d’oxygène”, a expliqué O’Malley.
Cependant, il y a eu des indices tout au long que la nature a plus d’une façon d’éliminer la lignine. Dans le monde de la biomasse industrielle, pour accéder à la cellulose et à l’hémicellulose derrière la lignine, la biomasse végétale doit généralement subir un prétraitement. Mais dans le travail du laboratoire O’Malley sur les microbes anaérobies, le prétraitement n’a jamais été nécessaire.
“Nous n’avons jamais eu à extraire la lignine parce que les champignons avec lesquels nous travaillons sont simplement heureux d’extraire la cellulose et l’hémicellulose par eux-mêmes”, a-t-elle déclaré. “Ainsi, le fait que ces champignons puissent se développer sur de la biomasse végétale non prétraitée a toujours été une caractéristique unique et inhabituelle, et nous avons émis l’hypothèse qu’ils devaient avoir un moyen de déplacer la lignine.”
Pour en être sûr, le laboratoire O’Malley a mené des expériences avec des membres du Néocallimastigomycètes groupe. Tom Lankiewicz, l’auteur principal de l’étude, a cultivé certains de ces champignons sur le peuplier, le sorgho et le panic raide. Ces trois types de biomasse ont été choisis pour les différentes manières dont la lignine se présente dans la nature, depuis les tiges et les feuilles flexibles des graminées jusqu’au bois plus rigide du peuplier. En outre, ces plantes sont envisagées par le DOE comme matières premières potentielles pour les biocarburants et les produits biosourcés.
L’équipe a ensuite suivi la progression des champignons au fur et à mesure qu’ils travaillaient sur les fibres dures et a constaté qu’en effet, Néocallimastix californiae a brisé les parois cellulaires résistantes des plantes. En utilisant des techniques d’imagerie avancées telles que la résonance magnétique nucléaire, ils ont pu identifier des ruptures de liaison spécifiques à la lignine en l’absence d’oxygène.
“Il s’agit vraiment d’un changement de paradigme dans la façon dont les gens pensent du sort de la lignine en l’absence d’oxygène”, a déclaré O’Malley. « Vous pourriez étendre cela pour comprendre ce qui arrive à la lignine dans un tas de compost, dans un digesteur anaérobie ou dans des environnements très profonds où aucun oxygène n’est disponible. Cela pousse notre compréhension de ce qui arrive à la biomasse dans ces environnements et modifie notre perception de ce qui est possible et la chimie de ce qui s’y passe.
Bien que cette recherche prouve que la lignine peut être décomposée par des champignons dans des environnements sans oxygène, le prochain défi pour les chercheurs est de découvrir exactement comment. Existe-t-il des enzymes qui interviennent dans ce processus ? Est-ce une caractéristique des anaérobies en général ? Comme pour toute recherche intrigante, chaque réponse mène à plus de questions – des questions qui invitent à plus de recherches et à des collaborations fructueuses.
“Ceci, bien sûr, n’est pas seulement un effort de laboratoire unique”, a déclaré O’Malley. “Cela a été rendu possible uniquement parce que nous avons eu tellement de collaborateurs qui apportent à la table leurs différents types d’expertise.”
