Des bactéries pour le décollage : Utiliser des microbes pour fabriquer un nouveau carburant pour fusée surpuissant

Conscient des avantages que la biologie peut offrir, un groupe d'experts en biocarburants dirigé par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) s'est inspiré d'une extraordinaire molécule antifongique fabriquée par la bactérie Streptomyces pour mettre au point un type de carburant totalement nouveau dont la densité énergétique projetée est supérieure à celle des carburants lourds les plus avancés utilisés aujourd'hui, y compris les carburants pour fusées utilisés par la NASA.

"Cette voie de biosynthèse offre un moyen propre d'obtenir des carburants à forte densité énergétique qui, avant ces travaux, ne pouvaient être produits qu'à partir du pétrole, à l'aide d'un processus de synthèse hautement toxique", a déclaré le chef de projet Jay Keasling, pionnier de la biologie synthétique et PDG du Joint BioEnergy Institute (JBEI) du ministère de l'énergie. "Comme ces carburants seraient produits à partir de bactéries nourries de matière végétale - qui est fabriquée à partir du dioxyde de carbone extrait de l'atmosphère - leur combustion dans des moteurs réduira considérablement la quantité de gaz à effet de serre ajoutée par rapport à tout carburant produit à partir du pétrole."

L'incroyable potentiel énergétique de ces molécules candidates au carburant, appelées POP-FAME (pour polycylcopropanated fatty acid methyl esters), provient de la chimie fondamentale de leurs structures. Les molécules polycylcopropanées contiennent de multiples anneaux triangulaires à trois carbones qui forcent chaque liaison carbone-carbone à former un angle aigu de 60 degrés . L'énergie potentielle de cette liaison tendue se traduit par une énergie de combustion supérieure à celle que l'on peut obtenir avec les structures cycliques plus grandes ou les chaînes carbone-carbone que l'on trouve généralement dans les carburants. En outre, ces structures permettent aux molécules de carburant de se serrer les unes contre les autres dans un petit volume, ce qui augmente la masse - et donc l'énergie totale - du carburant qui peut tenir dans un réservoir donné.

"Avec les carburants pétrochimiques, vous obtenez une sorte de soupe de molécules différentes et vous n'avez pas un contrôle très précis de ces structures chimiques. Mais c'est ce que nous avons utilisé pendant longtemps et nous avons conçu tous nos moteurs pour qu'ils fonctionnent avec des dérivés du pétrole", a déclaré Eric Sundstrom, un des auteurs de l'article décrivant les candidats carburants POP publié dans la revue Joule, et un chercheur de l'unité de développement des processus de biocarburants et de bioproduits avancés (ABPDU) du Berkeley Lab.

"Le consortium plus large à l'origine de ces travaux, Co-Optima, a été financé pour réfléchir non seulement à la possibilité de recréer les mêmes carburants à partir de matières premières biosourcées, mais aussi à la manière dont nous pouvons fabriquer de nouveaux carburants aux propriétés améliorées", a déclaré Sundstrom. La question qui a conduit à ce projet est la suivante : "Quels types de structures intéressantes la biologie peut-elle produire que la pétrochimie ne peut pas produire ?"

Une quête de l'anneau (des anneaux)

Keasling, qui est également professeur à l'UC Berkeley, avait l'œil sur les molécules de cyclopropane depuis longtemps. Il avait parcouru la littérature scientifique à la recherche de composés organiques comportant des anneaux à trois carbones et n'en avait trouvé que deux exemples connus, tous deux fabriqués par des bactéries Streptomyces qu'il est pratiquement impossible de cultiver en laboratoire. Heureusement, l'une de ces molécules avait été étudiée et analysée génétiquement en raison de l'intérêt porté à ses propriétés antifongiques. Découvert en 1990, ce produit naturel a été baptisé jawsamycin, car ses cinq anneaux cyclopropaniques inédits lui donnent l'apparence d'une mâchoire garnie de dents pointues.

L'équipe de Keasling, composée de scientifiques du JBEI et de l'ABPDU, a étudié les gènes de la souche originale(S. roseoverticillatus) qui codent pour les enzymes de construction de la jawsamycine et a plongé dans les génomes de Streptomyces apparentés , à la recherche d'une combinaison d'enzymes qui pourrait produire une molécule avec les anneaux dentés de la jawsamycine tout en ignorant les autres parties de la structure. À l'instar d'un boulanger qui réécrit des recettes pour inventer le dessert parfait, l'équipe espérait remanier la machinerie bactérienne existante pour créer une nouvelle molécule aux propriétés de carburant prêt à brûler.

Le premier auteur, Pablo Cruz-Morales, a pu réunir tous les ingrédients nécessaires à la fabrication des POP-FAME après avoir découvert de nouvelles enzymes de fabrication du cyclopropane dans une souche appelée S. albireticuli. "Nous avons cherché dans des milliers de génomes les voies qui fabriquent naturellement ce dont nous avions besoin. De cette façon, nous avons évité l'ingénierie qui peut ou non fonctionner et avons utilisé la meilleure solution de la nature", a déclaré Cruz-Morales, chercheur principal au Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability de l'Université technique du Danemark et co-chercheur principal du laboratoire de produits naturels de la levure avec Keasling.

Malheureusement, les bactéries n'ont pas été aussi coopératives en matière de productivité. Omniprésentes dans les sols de tous les continents, les Streptomyces sont célèbres pour leur capacité à fabriquer des produits chimiques inhabituels. "Une grande partie des médicaments utilisés aujourd'hui, comme les immunosuppresseurs, les antibiotiques et les anticancéreux, sont fabriqués par des Streptomyces modifiés ", explique Mme Cruz-Morales. "Mais ils sont très capricieux et il n'est pas agréable de travailler avec eux en laboratoire. Ils sont talentueux, mais ce sont des divas". Lorsque deux Streptomyces différents n'ont pas réussi à produire des POP-FAME en quantités suffisantes, Cruz-Morales et ses collègues ont dû copier leur nouveau groupe de gènes dans une espèce apparentée plus "docile".

Les acides gras obtenus contiennent jusqu'à sept cycles cyclopropane enchaînés sur un squelette carboné, ce qui leur vaut le nom de "fuelimycines". Dans un processus similaire à la production de biodiesel, ces molécules ne nécessitent qu'une seule étape supplémentaire de traitement chimique avant de pouvoir servir de carburant.

On cuisine maintenant avec du cyclopropane

Bien qu'ils n'aient pas encore produit suffisamment de molécules candidates pour des essais sur le terrain - "il faut 10 kilogrammes de carburant pour faire un essai dans un vrai moteur de fusée, et nous n'en sommes pas encore là", explique Cruz-Morales en riant - ils ont pu évaluer les prédictions de Keasling concernant la densité énergétique.

Des collègues du Pacific Northwest National Laboratory ont analysé les POP-FAME par spectroscopie à résonance magnétique nucléaire pour prouver la présence des insaisissables anneaux de cyclopropane. Et les collaborateurs du Sandia National Laboratories ont utilisé des simulations informatiques pour estimer comment les composés se comporteraient par rapport aux carburants classiques.

Les données de simulation suggèrent que les candidats carburants POP sont sûrs et stables à température ambiante et qu'ils auront des valeurs de densité énergétique de plus de 50 mégajoules par litre après traitement chimique. L'essence ordinaire a une valeur de 32 mégajoules par litre, le JetA, le carburant pour avion le plus courant, et le RP1, un carburant pour fusée populaire à base de kérosène, en ont environ 35.

Au cours de ses recherches, l'équipe a découvert que la structure de ses POP-FAME est très proche de celle d'un carburant pour fusée expérimental à base de pétrole appelé Syntin, mis au point dans les années 1960 par l'agence spatiale soviétique et utilisé pour plusieurs lancements réussis de fusées Soyouz dans les années 1970 et 1980. Malgré ses puissantes performances, la fabrication du Syntin a été arrêtée en raison de son coût élevé et du processus désagréable qu'il impliquait : une série de réactions synthétiques avec des sous-produits toxiques et un intermédiaire instable et explosif.

"Bien que les POP-FAME partagent des structures similaires à celles du Syntin, beaucoup ont des densités d'énergie supérieures. Des densités d'énergie plus élevées permettent de réduire les volumes de carburant, ce qui, dans une fusée, peut permettre d'augmenter les charges utiles et de réduire les émissions globales", a déclaré l'auteur, Alexander Landera, chercheur à Sandia. L'un des prochains objectifs de l'équipe est de créer un procédé permettant d'éliminer les deux atomes d'oxygène de chaque molécule, qui ajoutent du poids mais ne présentent aucun avantage en termes de combustion. "Lorsqu'elles sont mélangées à un carburant pour avion, les versions correctement désoxygénées des POP-FAMEs peuvent offrir un avantage similaire", ajoute Landera.

Depuis la publication de leur article sur la preuve de concept, les scientifiques ont commencé à travailler pour augmenter encore l'efficacité de production de la bactérie afin d'en générer suffisamment pour effectuer des tests de combustion. Ils étudient également comment la voie de production multi-enzymes pourrait être modifiée pour créer des molécules polycyclopropanées de différentes longueurs. "Nous nous efforçons de régler la longueur de la chaîne pour cibler des applications spécifiques", a déclaré Sundstrom. "Les carburants à chaîne plus longue seraient des solides, bien adaptés à certaines applications de carburant pour fusées, les chaînes plus courtes pourraient être meilleures pour le kérosène, et au milieu, on pourrait trouver une molécule de remplacement du diesel."

L'auteur Corinne Scown, directrice de l'analyse technico-économique du JBEI, a ajouté : "La densité énergétique est primordiale dans le domaine de l'aviation et de la fusée, et c'est là que la biologie peut vraiment briller. L'équipe peut fabriquer des molécules de carburant adaptées aux applications dont nous avons besoin dans ces secteurs en évolution rapide."

À terme, les scientifiques espèrent mettre au point le processus pour en faire une souche bactérienne cheval de bataille qui pourrait produire de grandes quantités de molécules de POP à partir de sources alimentaires de déchets végétaux (comme les résidus agricoles non comestibles et les broussailles débroussaillées pour la prévention des incendies), ce qui pourrait constituer le carburant neutre en carbone par excellence.

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