Première étape vers la fixation synthétique du CO2 dans les cellules vivantes
Trois modules formant un nouveau cycle de fixation du CO2 dans la nature mis en œuvre avec succès chez E.coli
La biologie synthétique offre la possibilité de construire des voies biochimiques pour la capture et la conversion du dioxyde de carbone (CO2). Des chercheurs de l'Institut Max-Planck de microbiologie terrestre ont mis au point un cycle biochimique synthétique qui convertit directement le CO2 en un élément central, l'acétyl-CoA. Les chercheurs ont pu mettre en œuvre chacun des trois modules du cycle dans la bactérie E.coli, ce qui représente une étape importante vers la réalisation de voies synthétiques de fixation du CO2 dans le contexte de cellules vivantes.
La mise au point de nouvelles méthodes de capture et de conversion duCO2 est essentielle pour faire face à l'urgence climatique. La biologie synthétique ouvre la voie à la conception de nouvelles voies de fixation du CO2 qui capturent le CO2 plus efficacement que celles développées par la nature. Toutefois, la réalisation de ces nouvelles voies naturelles dans différents systèmes in vitro et in vivo reste un défi fondamental. Aujourd'hui, les chercheurs du groupe de Tobias Erb ont conçu et construit une nouvelle voie synthétique de fixation du CO2, le cycle THETA. Ce cycle contient plusieurs métabolites centraux comme intermédiaires, et l'élément central, l'acétyl-CoA, comme produit de sortie. Cette caractéristique permet de la diviser en modules et de l'intégrer dans le métabolisme central d'E. coli.
L'ensemble du cycle THETA implique 17 biocatalyseurs et a été conçu autour des deux enzymes les plus rapides à fixer le CO2 connues à ce jour : la crotonyl-CoA carboxylase/réductase et la phosphoénolpyruvate carboxylase. Les chercheurs ont découvert ces puissants biocatalyseurs dans des bactéries. Bien que chacune des carboxylases puisse capturer le CO2 plus de 10 fois plus rapidement que RubisCO, l'enzyme qui fixe le CO2 dans les chloroplastes, l'évolution elle-même n'a pas réuni ces enzymes capables dans la photosynthèse naturelle.
Le cycle THETA convertit deux molécules de CO2 en un acétyl-CoA en un seul cycle. L'acétyl-CoA est un métabolite central dans presque tous les métabolismes cellulaires et sert d'élément constitutif à un large éventail de biomolécules vitales, notamment les biocarburants, les biomatériaux et les produits pharmaceutiques, ce qui en fait un composé d'un grand intérêt pour les applications biotechnologiques. En construisant le cycle dans des tubes à essai, les chercheurs ont pu confirmer sa fonctionnalité. L'entraînement a ensuite commencé : grâce à une optimisation rationnelle et guidée par l'apprentissage automatique au cours de plusieurs séries d'expériences, l'équipe a pu améliorer le rendement en acétyl-CoA d'un facteur 100. Afin de tester sa faisabilité in vivo, l'incorporation dans la cellule vivante doit être réalisée étape par étape. À cette fin, les chercheurs ont divisé le cycle THETA en trois modules, dont chacun a été implanté avec succès dans la bactérie E. coli. La fonctionnalité de ces modules a été vérifiée par une sélection couplée à la croissance et/ou un marquage isotopique.
"La particularité de ce cycle est qu'il contient plusieurs intermédiaires qui servent de métabolites centraux dans le métabolisme de la bactérie. Ce chevauchement offre la possibilité de développer une approche modulaire pour sa mise en œuvre", explique Shanshan Luo, auteur principal de l'étude. "Nous avons pu démontrer la fonctionnalité des trois modules individuels chez E. coli. Cependant, nous n'avons pas encore réussi à fermer le cycle complet de sorte qu'E. coli puisse se développer entièrement avec du CO2", ajoute-t-elle. Fermer le cycle THETA reste un défi majeur, car les 17 réactions doivent être synchronisées avec le métabolisme naturel d'E. coli, qui implique naturellement des centaines, voire des milliers de réactions. Toutefois, la démonstration du cycle complet in vivo n'est pas le seul objectif, souligne le chercheur. "Notre cycle a le potentiel de devenir une plateforme polyvalente pour produire des composés précieux directement à partir du CO2 en étendant sa molécule de sortie, l'acétyl-CoA", explique Shanshan Luo.
"Introduire des parties du cycle THETA dans des cellules vivantes est une preuve de principe importante pour la biologie synthétique", ajoute Tobias Erb. "La mise en œuvre modulaire de ce cycle dans E. coli ouvre la voie à la réalisation de voies de fixation du CO2 hautement complexes et orthogonales, nouvelles pour la nature, dans les usines cellulaires. Nous apprenons à reprogrammer complètement le métabolisme cellulaire pour créer un système d'exploitation autotrophe synthétique pour la cellule."
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
Luo, S.; Diehl, C.; He, H.; Bae, Y.J.; Klose, M.; Claus, P.; Cortina, N.S.; Fernandez, C. A.; Schulz-Mirbach, H.; McLean, R.; Rojas, A.A.R.; Schindler, D.; Paczia, N.; Erb, T.J.; Construction and modular implementation of the THETA cycle for synthetic CO2 fixation; Nature Catalysis, 20 Dec 2023
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