Avec l'acide formique vers la neutralité en CO₂
Des chercheurs développent une nouvelle méthode pour l'utilisation durable du CO₂
De nouvelles voies métaboliques synthétiques pour la fixation duCO2 pourraient non seulement contribuer à réduire la teneur enCO2 de l'atmosphère, mais aussi remplacer les procédés chimiques conventionnels de fabrication de produits pharmaceutiques et d'ingrédients actifs par des procédés biologiques neutres en carbone. Une nouvelle étude démontre un processus qui peut transformer leCO2 en un matériau précieux pour l'industrie (bio)chimique par le biais de l'acide formique.
Le formiate peut être envisagé au cœur d'une bioéconomie neutre en carbone, où il est produit à partir du CO2 par des moyens (électro-)chimiques et converti en produits à valeur ajoutée par des cascades enzymatiques ou des microbes modifiés. Une étape clé dans l'expansion de l'assimilation du formiate synthétique est sa réduction thermodynamique difficile en formaldéhyde, visible ici sous forme d'un changement de couleur jaune.
© Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology/Geisel
Compte tenu de l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre, la capture du carbone, c'est-à-dire la séquestration duCO2 à partir de sources d'émission importantes, est une question urgente. Dans la nature, l'assimilation duCO2 a lieu depuis des millions d'années, mais sa capacité est loin d'être suffisante pour compenser les émissions d'origine humaine.
Les chercheurs dirigés par le professeur Tobias Erb de l'Institut Max Planck de microbiologie terrestre utilisent la boîte à outils de la nature pour développer de nouvelles méthodes de fixation duCO2. Ils sont parvenus à mettre au point une voie métabolique artificielle qui produit le formaldéhyde hautement réactif à partir de l'acide formique, un produit intermédiaire possible de la photosynthèse artificielle. Le formaldéhyde pourrait être introduit directement dans plusieurs voies métaboliques pour former d'autres substances utiles sans aucun effet toxique.
Comme dans le processus naturel, deux composants primaires sont nécessaires : L'énergie et le carbone. Le premier peut être fourni non seulement par la lumière directe du soleil, mais aussi par l'électricité - par exemple à partir de modules solaires.
L'acide formique est un élément constitutif du C1 qui a du potentiel
Au sein de la chaîne de valeur ajoutée, la source de carbone est variable. LeCO2 n'est pas la seule option, tous les monocarbones (éléments constitutifs du C1) entrent en ligne de compte : CO (monoxyde de carbone), acide formique, formaldéhyde, méthanol et méthane. Or, presque toutes ces substances sont hautement toxiques, que ce soit pour les organismes vivants (CO, formaldéhyde, méthanol) ou pour la planète (méthane en tant que gaz à effet de serre). Seul l'acide formique, lorsqu'il est neutralisé en sa base, le formiate, est toléré par de nombreux micro-organismes à des concentrations élevées.
"L'acide formique est une source de carbone très prometteuse", souligne Maren Nattermann, premier auteur de l'étude récemment publiée dans la revue Nature Communications. "Mais sa transformation en formaldéhyde dans l'éprouvette est très énergivore. En effet, le sel de l'acide formique, le formiate, ne peut pas être converti facilement en formaldéhyde. "Il y a une barrière chimique importante entre les deux molécules que nous devons franchir avec de l'énergie biochimique - l'ATP - avant de pouvoir effectuer la réaction proprement dite.
L'objectif du chercheur était de trouver un moyen plus économique. Après tout, moins il faut d'énergie pour alimenter le métabolisme en carbone, plus il reste d'énergie pour stimuler la croissance ou la production. Mais cette voie n'existe pas dans la nature.
Il faut faire preuve d'une certaine créativité pour découvrir des enzymes dites "promiscuous", dotées de fonctions multiples", explique Tobias Erb. "Toutefois, la découverte d'enzymes candidates n'est qu'un début. Il s'agit de réactions que l'on peut suivre à la trace car elles sont très lentes - dans certains cas, moins d'une réaction par seconde et par enzyme. Les réactions naturelles peuvent être mille fois plus rapides".
C'est là que la biochimie de synthèse entre en jeu, explique Maren Nattermann : "Si l'on connaît la structure et le mécanisme d'une enzyme, on sait où intervenir. Ici, nous bénéficions largement des travaux préliminaires de nos collègues de la recherche fondamentale."
L'utilisation d'une technologie à haut débit accélère l'optimisation des enzymes
L'optimisation des enzymes a comporté plusieurs approches : des éléments constitutifs ont été spécifiquement échangés (mutagenèse ciblée) et des mutations aléatoires ont été générées et sélectionnées pour leur capacité (mutagenèse semi-rationnelle). "Le formiate et le formaldéhyde sont tous deux parfaitement adaptés car ils pénètrent les parois cellulaires. Nous pouvons introduire du formiate dans le milieu de culture des cellules qui produisent nos enzymes et, après quelques heures, transformer le formaldéhyde produit en un colorant jaune non toxique", explique Maren Nattermann.
Ce résultat n'aurait pas été possible en si peu de temps sans l'utilisation de méthodes à haut débit. Pour ce faire, les chercheurs ont coopéré avec leur partenaire industriel Festo SE & Co. KG, basé à Esslingen, en Allemagne. "Après environ 4 000 variantes, nous avons quadruplé la production", explique Maren Nattermann. "Nous avons ainsi créé la base pour que l'organisme modèle E.coli, le cheval de bataille microbien de la biotechnologie, puisse se développer sur l'acide formique. Pour l'instant, cependant, nos cellules ne peuvent que produire du formaldéhyde, et non le transformer."
En collaboration avec le Dr Sebastian Wenk du MPI (Molecular Plant Physiology), les chercheurs développent actuellement une souche capable d'absorber les intermédiaires et de les introduire dans le métabolisme central. Parallèlement, l'équipe mène des recherches avec un groupe de travail du MPI pour la conversion de l'énergie chimique, dirigé par le professeur Walter Leitner, sur la conversion électrochimique duCO2 en acide formique. L'objectif à long terme est une "plateforme tout-en-un" - duCO2, via un processus électro-biochimique, à des produits tels que l'insuline ou le biodiesel.
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.
Publication originale
Nattermann, M.; Wenk, S.; Pfister, P.; He, h.; Lee, S.H.; Szymanski, W.; Guntermann, N.; Zhu, F.; Nickel, L.; Wallner, C.; Zarzycki, J.; Paczia, N.; Gaißert, N.; Franciò, G.; Leitner, N.; Gonzalez, R.; Erb, T. J.; Engineering a new-to-nature cascade for phosphate-dependent formate to formaldehyde conversion in vitro and in vivo; Nature Communications 14, 2682 (2023)
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