L'ingénierie des lentilles d'eau pour produire de l'huile pour les biocarburants et les bioproduits
Des scientifiques provoquent l'accumulation d'huile dans des plantes aquatiques à croissance rapide
Des scientifiques du Brookhaven National Laboratory du ministère américain de l'énergie et des collaborateurs du Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) ont modifié des lentilles d'eau pour produire des quantités importantes d'huile. L'équipe a ajouté des gènes à l'une des plantes aquatiques à la croissance la plus rapide de la nature pour "pousser" la synthèse des acides gras, "tirer" ces acides gras en huiles et "protéger" l'huile de la dégradation. Comme l'expliquent les scientifiques dans un article publié dans le Plant BiotechnologyJournal, ces lentilles d'eau riches en huile pourraient être facilement récoltées pour produire des biocarburants ou d'autres bioproduits.
Les biochimistes de Brookhaven ont modifié la lenticule, une plante aquatique, pour produire de grandes quantités d'huile. Si elle est étendue, cette approche pourrait permettre de produire du carburant biologique durable sans concurrencer les terres cultivées à haute valeur ajoutée, tout en nettoyant potentiellement les eaux usées agricoles.
Brookhaven National Laboratory
L'article décrit comment les scientifiques ont modifié une souche de lentille d'eau, Lemna japonica, pour qu'elle accumule de l'huile à près de 10 % de sa biomasse en poids sec. Il s'agit d'une augmentation spectaculaire, cent fois supérieure à celle des plantes poussant à l'état sauvage, avec des rendements plus de sept fois supérieurs à ceux du soja, la plus grande source actuelle de biodiesel.
"La lentille d'eau pousse rapidement", explique John Shanklin, biochimiste au Brookhaven Lab, qui a dirigé l'équipe. "Elle ne possède que de minuscules tiges et racines, de sorte que la majeure partie de sa biomasse se trouve dans des frondes semblables à des feuilles qui poussent à la surface des étangs du monde entier. Notre ingénierie crée une teneur élevée en huile dans toute cette biomasse.
"La culture et la récolte de cette lentille d'eau modifiée en lots et l'extraction de son huile pourraient constituer une voie efficace vers la production d'huile renouvelable et durable", a-t-il déclaré.
Deux avantages supplémentaires : En tant que plante aquatique, la lentille d'eau productrice d'huile n'entrerait pas en concurrence avec les cultures alimentaires pour les terres agricoles de premier choix. Elle peut même pousser sur les eaux de ruissellement des élevages de porcs et de volailles.
"Cela signifie que cette plante artificielle pourrait potentiellement nettoyer les flux de déchets agricoles tout en produisant de l'huile", a déclaré Shanklin.
Tirer parti de deux institutions de recherche de Long Island
Le projet actuel trouve son origine dans les recherches menées par le Brookhaven Lab sur les lentilles d'eau dans les années 1970, sous la direction de William S. Hillman, du département de biologie. Par la suite, d'autres membres du département de biologie ont travaillé avec le groupe de Martienssen à Cold Spring Harbor pour mettre au point une méthode très efficace d'expression de gènes d'autres espèces dans les lentilles d'eau, ainsi que des approches permettant de supprimer l'expression des gènes propres aux lentilles d'eau, selon les besoins.
Lorsque les chercheurs de Brookhaven dirigés par Shanklin et Jorg Schwender ont identifié, au cours des deux dernières décennies, les facteurs biochimiques clés qui déterminent la production et l'accumulation d'huile dans les plantes, l'un des objectifs était de tirer parti de ces connaissances et des outils génétiques pour tenter de modifier la production d'huile des plantes. La dernière recherche, présentée ici, a testé cette approche en modifiant la lenticule avec les gènes qui contrôlent ces facteurs de production d'huile afin d'étudier leurs effets combinés.
"Le projet actuel réunit l'expertise de Brookhaven Lab en matière de biochimie et de régulation de la biosynthèse des huiles végétales et les capacités de pointe de Cold Spring Harbor en matière de génomique et de génétique", a déclaré Shanklin.
L'un des gènes de production d'huile identifiés par les chercheurs de Brookhaven pousse la production des éléments de base de l'huile, connus sous le nom d'acides gras. Un autre tire, ou assemble, ces acides gras en molécules appelées triacylglycérols (TAG) - des combinaisons de trois acides gras qui se lient pour former les hydrocarbures que nous appelons huiles. Le troisième gène produit une protéine qui enrobe les gouttelettes d'huile dans les tissus végétaux, les protégeant ainsi de la dégradation.
Grâce à des travaux préliminaires, les scientifiques ont découvert que l'augmentation des niveaux d'acides gras déclenchée par le gène "push" peut avoir des effets néfastes sur la croissance des plantes. Pour éviter ces effets, Yuanxue Liang, chercheur postdoctoral au Brookhaven Lab, a associé ce gène à un promoteur qui peut être activé par l'ajout d'une quantité infime d'un inducteur chimique spécifique.
"L'ajout de ce promoteur maintient le gène push désactivé jusqu'à ce que nous ajoutions l'inducteur, ce qui permet aux plantes de se développer normalement avant que nous n'activions la production d'acides gras et d'huile", a expliqué M. Shanklin.
Liang a ensuite créé une série de combinaisons de gènes pour exprimer les facteurs push, pull et protect individuellement, par paires et tous ensemble. Dans l'article, ces facteurs sont abrégés en W, D et O pour leur nom biochimique/génétique, où W=push, D=pull et O=protect.
Les principaux résultats
La surexpression de chaque modification génétique seule n'a pas augmenté de manière significative les niveaux d'acides gras dans les frondes de Lemna japonica. Mais les plantes modifiées par les trois gènes ont accumulé jusqu'à 16 % de leur poids sec sous forme d'acides gras et 8,7 % sous forme d'huile lorsque les résultats ont été calculés sur plusieurs lignées transgéniques différentes. Les meilleures plantes accumulaient jusqu'à 10 % de TAG, soit plus de 100 fois le niveau d'huile qui s'accumule dans les plantes de type sauvage non modifiées.
Certaines combinaisons de deux modifications (WD et DO) ont augmenté la teneur en acides gras et l'accumulation de TAG de façon spectaculaire par rapport à leurs effets individuels. Ces résultats sont dits synergiques, l'effet combiné de deux gènes augmentant la production plus que la somme des deux modifications distinctes.
Ces résultats ont également été révélés par des images de gouttelettes lipidiques dans les frondes des plantes, produites à l'aide d'un microscope confocal au Center for Functional Nanomaterials (CFN), une installation du DOE Office of Science située au Brookhaven Lab. Lorsque les frondes de lentilles d'eau ont été colorées avec un produit chimique qui se lie à l'huile, les images ont montré que les plantes avec chaque combinaison de deux gènes (OD, OW, WD) présentaient une accumulation accrue de gouttelettes lipidiques par rapport aux plantes où ces gènes étaient exprimés séparément, ainsi que par rapport aux plantes témoins sans modification génétique. Les plantes des lignées OD et OWD présentaient toutes deux de grosses gouttelettes d'huile, mais la lignée OWD en avait davantage, produisant les signaux les plus forts.
"Les travaux futurs se concentreront sur le test des facteurs de poussée, de traction et de protection provenant d'une variété de sources différentes, sur l'optimisation des niveaux d'expression des trois gènes inducteurs d'huile et sur l'affinement du moment de leur expression", a déclaré Shanklin. "Au-delà de cela, nous travaillons sur la manière de faire passer la production du laboratoire au niveau industriel."
Ce travail de mise à l'échelle comporte plusieurs axes principaux : 1) concevoir les types de récipients de culture à grande échelle pour faire pousser les plantes modifiées, 2) optimiser les conditions de croissance à grande échelle, et 3) développer des méthodes pour extraire efficacement l'huile à des niveaux élevés.
Ce travail a été financé par le DOE Office of Science (BER). CFN est également soutenu par l'Office of Science (BES).
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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