Les arbres sont-ils l'avenir de la production de produits chimiques industriels ?
Une découverte qui pourrait aider à transformer les arbres en produits chimiques industriels abordables et plus écologiques
Les arbres sont la ressource naturelle la plus abondante vivant sur les terres émergées de la planète, et les scientifiques et ingénieurs de l'université d'État de Caroline du Nord progressent dans la recherche de moyens de les utiliser comme alternatives durables et respectueuses de l'environnement à la production de produits chimiques industriels à partir du pétrole.
Bob Kelly (à gauche) et Jack Wang examinent des peupliers dans une serre du campus Centennial de NC State.
Photo courtesy of Dee Shore, NC State University
La lignine, un polymère qui rend les arbres rigides et résistants à la dégradation, s'est avérée problématique. Les chercheurs de NC State savent maintenant pourquoi : Ils ont identifié la propriété moléculaire spécifique de la lignine - sa teneur en méthoxy - qui détermine à quel point il serait difficile, ou facile, d'utiliser la fermentation microbienne pour transformer les arbres et d'autres plantes en produits chimiques industriels.
Ces résultats nous rapprochent de la fabrication de produits chimiques industriels à partir d'arbres, une alternative économiquement et écologiquement durable aux produits chimiques dérivés du pétrole, a déclaré Robert Kelly, auteur correspondant d'un article publié dans la revue Science Advances et détaillant cette découverte.
Le groupe de M. Kelly avait déjà prouvé que certaines bactéries thermophiles extrêmes, qui se développent dans des endroits tels que les sources chaudes du parc national de Yellowstone, pouvaient dégrader la cellulose des arbres, mais "pas dans une large mesure", a-t-il déclaré. "En d'autres termes, elles n'atteignent pas le niveau économique et environnemental nécessaire à la production de produits chimiques industriels.
Comme l'explique M. Kelly, "il s'avère qu'il n'y a pas que la faible teneur en lignine qui entre en jeu".
Pour contourner le problème de la forte teneur en lignine des arbres, M. Kelly, directeur du programme de biotechnologie de NC State et professeur Alcoa au département d'ingénierie chimique et biomoléculaire, travaille depuis plus de dix ans avec le professeur associé Jack Wang, qui dirige le programme de biotechnologie forestière au sein du collège des ressources naturelles de NC State. Wang est également membre du corps enseignant de la N.C. Plant Sciences Initiative.
Comme le rapporte la revue Science en 2023, Wang et ses collègues ont utilisé la technologie CRISPR d'édition du génome pour créer des peupliers dont la teneur et la composition en lignine ont été modifiées. Ils se sont concentrés sur les peupliers parce qu'ils poussent rapidement, nécessitent une utilisation minimale de pesticides et poussent sur des terres marginales sur lesquelles il est difficile de faire pousser des cultures vivrières.
Le groupe de Kelly a constaté que certains de ces arbres modifiés par CRISPR, mais pas tous, se prêtaient bien à la dégradation et à la fermentation microbiennes. Comme l'explique Ryan Bing, son ancien doctorant, il s'avère que ces bactéries ont un appétit différent pour différents types de plantes.
"Nous pouvons exploiter la capacité de certaines bactéries thermophiles provenant de sources chaudes dans des endroits comme le parc national de Yellowstone à manger la matière végétale et à la convertir en produits intéressants. Cependant, ces bactéries ont un appétit variable pour différents types de plantes", explique M. Bing, qui travaille aujourd'hui comme ingénieur métabolique principal pour Capra Biosciences à Sterling, en Virginie.
"La question était de savoir pourquoi. Qu'est-ce qui fait qu'une plante est meilleure qu'une autre ? "Nous avons trouvé une réponse à cette question en examinant la façon dont ces bactéries mangent des matières végétales de différentes compositions.
Dans une étude complémentaire, Kelly et Bing ont testé la capacité d'une bactérie génétiquement modifiée, isolée à l'origine des sources chaudes de Kamchutka, en Russie, Anaerocellum bescii, à décomposer les peupliers modifiés de Wang, dont la teneur en lignine et la composition sont nettement différentes.
Les chercheurs ont constaté que plus la teneur en méthoxy lignine de l'arbre était faible, plus il était dégradable.
"Cela a permis d'élucider le mystère de la raison pour laquelle une faible teneur en lignine n'est pas la clé à elle seule - le diable était dans les détails", a déclaré M. Kelly. "Une faible teneur en méthoxy rend probablement la cellulose plus disponible pour les bactéries.
Wang avait créé des peupliers à faible teneur en lignine pour qu'ils soient mieux adaptés à la fabrication de papier et d'autres produits à base de fibres, mais les recherches récentes suggèrent que les peupliers modifiés qui ont non seulement une faible teneur en lignine mais aussi une faible teneur en méthoxy sont plus adaptés à la fabrication de produits chimiques par fermentation microbienne.
Les peupliers modifiés de Wang poussent bien en serre, mais les résultats des essais sur le terrain ne sont pas encore connus. Le groupe de Kelly a déjà montré que les peupliers à faible teneur en lignine peuvent être transformés en produits chimiques industriels, tels que l'acétone et le gaz hydrogène, avec des résultats économiques favorables et un faible impact sur l'environnement.
Si ces arbres résistent sur le terrain et "si nous continuons à travailler de notre côté", a déclaré Kelly, "nous aurons des microbes qui fabriqueront de grandes quantités de produits chimiques à partir de peupliers, maintenant que nous connaissons le marqueur à rechercher - la teneur en méthoxy".
Les chercheurs, comme Wang, disposent ainsi d'une cible spécifique pour produire les lignées de peupliers les mieux adaptées à la production de produits chimiques. Wang et ses collègues ont récemment lancé des essais sur le terrain de peupliers à lignine modifiée pour répondre à cette question.
À l'heure actuelle, la fabrication de produits chimiques à partir d'arbres est possible par des moyens traditionnels - en coupant le bois en petits morceaux, puis en utilisant des produits chimiques et des enzymes pour le prétraiter en vue d'un traitement ultérieur.
L'utilisation de microbes modifiés pour décomposer la lignine présente des avantages, notamment des besoins énergétiques et un impact environnemental moindres, a déclaré M. Kelly.
Les enzymes peuvent être utilisées pour décomposer la cellulose en sucres simples, mais elles doivent être continuellement ajoutées au processus. Certains micro-organismes, en revanche, produisent en permanence les enzymes clés qui rendent le processus microbien plus économique.
"Ils peuvent également faire un bien meilleur travail que les enzymes et les produits chimiques", ajoute M. Kelly. "Elles décomposent la cellulose et la transforment en produits, tels que l'éthanol, en une seule étape.
"Les températures élevées auxquelles ces bactéries se développent permettent également d'éviter de travailler dans des conditions stériles, comme ce serait le cas avec des micro-organismes moins thermophiles pour éviter toute contamination", a-t-il ajouté. "Cela signifie que le processus de transformation des arbres en produits chimiques peut fonctionner comme un processus industriel conventionnel, ce qui le rend plus susceptible d'être adopté.
Daniel Sulis, un autre auteur de l'article de Science Advances et chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Wang, a déclaré que les catastrophes environnementales alimentées par le changement climatique soulignent le besoin urgent de mener des recherches pour trouver des moyens de réduire la dépendance à l'égard des combustibles fossiles.
"Une solution prometteuse consiste à exploiter les arbres pour répondre aux besoins de la société en produits chimiques, combustibles et autres produits biologiques, tout en préservant la planète et le bien-être de l'homme", a ajouté M. Sulis.
"Ces résultats ne font pas seulement progresser le domaine, ils jettent également les bases d'autres innovations dans l'utilisation des arbres pour des applications durables à base de produits biologiques.
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
Ryan G. Bing, Daniel B. Sulis, Morgan J. Carey, Mohamad J. H. Manesh, Kathryne C. Ford, Christopher T. Straub, Tunyaboon Laemthong, Benjamin H. Alexander, Daniel J. Willard, Xiao Jiang, Chenmin Yang, Jack P. Wang, Michael W. W. Adams, Robert M. Kelly; "Beyond low lignin: Identifying the primary barrier to plant biomass conversion by fermentative bacteria"; Science Advances, Volume 10
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