Des bactéries pour les produits chimiques climatiquement neutres du futur

Pour fabriquer différents produits chimiques, comme les plastiques, les colorants ou les ar?mes artificiels, l'industrie chimique est actuellement tributaire de matières premières fossiles comme le pétrole. "? l'échelle mondiale, elle en consomme 500 millions de tonnes par an, soit plus d'un million de tonnes par jour", explique Julia Vorholt, professeure à l'Institut de microbiologie de l'ETH Zurich. "Comme les transformations chimiques sont très gourmandes en énergie, le CO₂-Avec son équipe, elle cherche donc des moyens de réduire la dépendance de l'industrie chimique aux combustibles fossiles.

Méthanol vert

Les bactéries qui se nourrissent de méthanol, c'est-à-dire qui sont méthylotrophes dans le jargon technique, sont au centre de cette recherche. Le méthanol possède un seul atome de carbone et fait donc partie des molécules organiques les plus simples. Il peut être produit à partir du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, et d'eau. Si l'énergie nécessaire à cette réaction de synthèse provient de sources renouvelables, le méthanol est qualifié de vert.

"Il existe des méthylotrophes naturels, mais les utiliser à l'échelle industrielle reste difficile malgré l'ampleur des recherches", explique Michael Reiter, post-doctorant dans le groupe de recherche de Vorholt, qui a préféré travailler avec la bactérie modèle bien connue en biotechnologie. Escherichia coli travaille. L'équipe de Vorholt poursuit depuis plusieurs années déjà l'idée de doter la bactérie modèle qui se développe sur les sucres de la capacité d'utiliser le méthanol par voie biochimique.

Restructuration complète du métabolisme

"C'est un grand défi, car cela nécessite une restructuration complète du métabolisme", explique Vorholt. Dans un premier temps, les chercheurs ont simulé cette transformation à l'aide de modèles informatiques. Ensuite, ils ont supprimé de manière ciblée deux gènes et en ont introduit trois supplémentaires. "Cela a permis aux bactéries d'absorber le méthanol, même si ce n'est qu'en petites quantités", explique Reiter.

Ils ont ensuite continué à cultiver les bactéries en laboratoire dans des conditions spéciales pendant plus d'un an, jusqu'à ce que la conversion soit réussie - et que les microbes puissent produire tous les composants cellulaires à partir du méthanol. Au cours d'un millier de générations supplémentaires, ces méthylotrophes dits synthétiques sont devenus de plus en plus efficaces, si bien qu'ils ont fini par doubler de taille toutes les quatre heures lorsqu'ils étaient nourris exclusivement au méthanol. "L'amélioration du taux de croissance rend ces bactéries économiquement intéressantes", explique Vorholt.

Optimisation par perte de fonction

Comme l'équipe de Vorholt l'explique dans l'article qu'elle vient de publier. page externeArticle spécialisé explique que plusieurs mutations survenues par hasard sont responsables de l'efficacité accrue de l'utilisation du méthanol. La plupart de ces mutations ont entra?né la perte de fonction de différents gènes. Cela peut para?tre étonnant à première vue, mais en y regardant de plus près, on constate que la perte de fonction des gènes permet aux cellules d'économiser de l'énergie. Ainsi, certaines mutations ont pour effet de supprimer les réactions inverses de réactions biochimiques importantes. "Cela permet d'éviter les cycles superflus - et d'optimiser les flux métaboliques dans les cellules", écrivent les chercheurs.

Afin de sonder le potentiel des méthylotrophes synthétiques pour la production biotechnologique de produits chimiques de masse importants pour l'industrie, Vorholt et son équipe ont doté les bactéries de gènes supplémentaires pour quatre voies de biosynthèse différentes. Dans leur étude, ils montrent maintenant que les bactéries ont effectivement produit les composés souhaités dans tous les cas.

Plateforme de production polyvalente

Pour les chercheurs, cela prouve clairement que leurs bactéries hautement cultivées tiennent leurs promesses initiales : Les microbes sont une sorte de plateforme de production hautement polyvalente dans laquelle on peut intégrer, selon le principe "plug and play", des modules de biosynthèse qui amènent les bactéries à transformer le méthanol en n'importe quelle substance biochimique.

Les chercheurs doivent toutefois encore augmenter considérablement le rendement et la productivité pour permettre une utilisation économiquement viable des bactéries. Vorholt et son équipe ont récemment obtenu des subventions pour l'innovation "afin d'élargir les plans vers l'application et de déterminer sur quels produits nous allons nous concentrer en premier", explique Vorholt.

Lorsque Reiter parle de la manière d'optimiser la culture des bactéries dans des bioréacteurs, il déborde d'énergie. "Face au réchauffement climatique, il est clair qu'il faut des alternatives aux matières premières fossiles", souligne-t-il. "Nous développons une technologie qui ne produit pas d'émissions supplémentaires de CO₂ dans l'atmosphère", explique Reiter. Et comme les méthylotrophes synthétiques n'ont pas besoin d'autres sources de carbone que le méthanol vert pour leur croissance et leurs produits, ils permettent de "fabriquer des produits chimiques renouvelables qui ne polluent pas l'environnement".