Les bactéries produisent des produits chimiques à partir du CO₂ – avec un turbocompresseur

Cette bactérie intestinale du genre Escherichia coli Avoir ce qu’il faut pour être un protecteur du climat peut sembler étrange aux profanes en biologie. Mais une équipe dirigée par Tobias Erb de l’Institut Max Planck de microbiologie terrestre à Marburg peut en réalité reprogrammer le métabolisme des bactéries afin qu’à l’avenir elles convertissent le dioxyde de carbone des gaz à effet de serre en produits chimiques adaptés à un usage industriel – et même à un niveau particulièrement élevé. d’efficacité. Les chercheurs en ont récemment rendu compte dans la revue Nature Catalysis.

Publicité

«Nous avons développé un type de logiciel métabolique dans le tube à essai et avons réussi à en intégrer des parties dans le cycle métabolique de la bactérie», explique Erb. L’expérience est la preuve que la biologie synthétique fonctionne.

Photosynthèse modèle

La photosynthèse a servi de modèle. Après tout, les plantes captent le CO₂ de l’air depuis l’Antiquité et le transforment en molécules plus grosses telles que l’amidon et le sucre. Cependant, la nature n’utilise pas le moteur le plus efficace pour ce processus. “L’enzyme Rubisco, avec laquelle fonctionne la photosynthèse, est extrêmement lente et peu efficace, notamment parce qu’elle lie non seulement le CO₂, mais aussi l’oxygène”, rapporte le microbiologiste.

Les chercheurs ont donc testé d’autres cycles plus efficaces dans l’éprouvette et les ont optimisés grâce à l’apprentissage automatique et à l’automatisation du laboratoire. Le gagnant actuel du casting en laboratoire s’appelle THETA cycle. Il convertit le CO₂ en acétylcoenzyme A, une variante de l’acide acétique qui peut être utilisée comme produit chimique industriel pour la production de carburant ou de plastique. Le cycle fonctionne avec 17 enzymes différentes, dont certaines ont été découvertes par l’équipe dans d’autres bactéries. «Non seulement elle est plus rapide que la photosynthèse, mais elle consomme également moins d’énergie», souligne Erb.

L’équipe a ensuite réussi à intégrer le cycle efficace issu du tube à essai dans le métabolisme naturel d’une cellule bactérienne via des interfaces adaptées. “Nous devons demander poliment à la cellule, pour ainsi dire, de lui permettre d’exécuter notre nouveau logiciel métabolique. Et la façon dont cela fonctionne est que nous retirons d’abord de la cellule quelque chose dont elle a réellement besoin pour son métabolisme”, explique Erb, expliquant la tactique. Par exemple, vous pouvez bloquer toutes les façons dont les cellules produisent des acides gras essentiels à la survie. “Nous proposons ensuite notre métabolisme optimisé – ou dans un premier temps une partie de celui-ci – avec lequel la production d’acides gras recommence. Et puis les cellules utilisent le nouveau programme car il leur permet de croître à nouveau”, explique Erb.

Cependant, introduire simultanément les 17 gènes codant pour les enzymes du cycle THETA ne fonctionnerait pas. L’équipe a donc regroupé les gènes en trois modules et a mis en œuvre chaque module dans une seule culture cellulaire. “Nous pouvons voir à quel point cela fonctionne bien dans les expériences de croissance dans des boîtes de Pétri”, explique Erb. Vous pouvez littéralement regarder les cellules se multiplier. Parfois, il fallait une mutation de la bactérie avant que le nouveau programme ne démarre et les cellules se propagent rapidement dans les boîtes de Pétri. Il a donc fallu un peu de patience. Mais après quelques semaines, les tests des trois modules ont été concluants.

Microbe avec moteur CO₂ comme cible

Les bactéries reprogrammées doivent maintenant être combinées les unes avec les autres afin que le microbe souhaité doté d’un moteur métabolique alimenté au CO₂ soit finalement créé. “Nous n’avons pas encore réussi à boucler tout le cycle pour que la bactérie puisse se développer complètement avec le CO₂”, admet Shanshan Luo, le premier auteur de l’étude. Synchroniser les 17 réactions avec le métabolisme naturel de la bactérie, qui implique naturellement des centaines, voire des milliers de réactions, constitue un défi majeur.

Une fois cet obstacle surmonté, Erb estime que de grandes choses pourraient être réalisées grâce au nouveau processus de biosynthèse. “Ce qui est bien avec les micro-organismes, c’est qu’ils n’ont pas nécessairement besoin de lumière pour fonctionner, comme dans la photosynthèse. Ils fonctionnent également avec de l’hydrogène ou de l’électricité. On pourrait donc établir un type de production chimique complètement différent”, dit-il. Par exemple, les produits chimiques industriels fabriqués à partir de CO₂ pourraient être produits en masse dans des chaudières.

Le potentiel en matière de protection du climat est également important, souligne Erb. Bien entendu, il faudrait réduire les émissions, construire des modules photovoltaïques, des centrales éoliennes et des systèmes de stockage d’électricité et les émissions pourraient également être techniquement extraites à des endroits précis. “Mais cela ne fonctionnera jamais autant que c’est déjà possible avec les plantes et les micro-organismes. Si vous utilisez la biologie synthétique et que vous développez le tout à l’échelle mondiale, alors il y a encore une révolution qui sommeille ici, dont beaucoup de gens n’ont même pas conscience”, “, a-t-il déclaré au chercheur.

(Grand frère)