L'assimilation synthétique du carbone dépasse la nature
Une nouvelle voie naturelle surpasse la voie naturelle chez les bactéries vivantes
Pour la première fois, une collaboration internationale a démontré que l'assimilation synthétique du carbone peut fonctionner plus efficacement dans un système vivant que son équivalent naturel. Les chercheurs du laboratoire de Tobias Erb, de l'Institut Max Planck de microbiologie terrestre, ont intégré une voie métabolique synthétique dans une bactérie et ont montré, lors d'une comparaison directe, qu'elle pouvait générer beaucoup plus de biomasse à partir d'un composé à un seul carbone, l'acide formique et le CO₂, que la souche bactérienne naturelle.
Beau Dronsella, chercheur Max Planck au MPI pour la microbiologie terrestre à Marburg, avec un bioréacteur expérimental.
Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie/Geisel
Dans la nature, le CO₂ est principalement fixé par le cycle de Calvin, qui fait partie de la photosynthèse. Toutefois, cette voie de fixation naturelle présente des limites d'efficacité. Tobias Erb et son équipe ont déjà développé des cycles artificiels, tels que les cycles CETCH et THETA, dont l'efficacité est supérieure à celle du cycle de Calvin naturel. Ces voies ont déjà fait leurs preuves dans des tubes à essai, mais n'ont été que partiellement intégrées dans des organismes vivants.
Une autre approche de la fixation du CO₂ faisant l'objet de recherches actives implique des méthodes physico-chimiques, telles que la réduction électrochimique du CO₂ en acide formique à l'aide d'énergie renouvelable. Toutefois, ces méthodes ne permettent pas de transformer l'acide formique en molécules complexes telles que des sucres ou des protéines. Certaines bactéries, en revanche, peuvent se développer sur l'acide formique et fabriquer divers produits. C'est pourquoi les chercheurs développent actuellement des techniques hybrides qui fixent d'abord le CO₂ de manière physico-chimique en acide formique, puis le transforment de manière microbienne.
Des solutions hybrides durables
Étant donné que de nombreuses bactéries convertissent naturellement l'acide formique par le biais du cycle de Calvin, des alternatives synthétiques telles que le CETCH pourraient être utilisées pour rendre la partie microbienne du processus hybride plus productive et générer les matières premières souhaitées de manière plus durable. Mais ces voies synthétiques de traitement du carbone, conçues par l'homme, sont-elles vraiment plus efficaces que les voies naturelles en comparaison directe ?
Pour répondre à cette question, l'équipe de recherche a testé la "voie de la glycine réductrice", qui est la voie métabolique synthétique la plus efficace pour traiter l'acide formique. Pour prouver qu'elle pouvait surpasser énergétiquement la fixation naturelle du carbone par le cycle de Calvin, ils ont sélectionné la bactérie non phototrophe Cupriavidus necator, qui utilise naturellement le cycle de Calvin pour métaboliser l'acide formique. En 2020, l'un des collaborateurs de l'équipe, le Dr Nico Claassens de l'université de Wageningen, avait déjà introduit avec succès la voie de la glycine réductrice dans cet organisme. Toutefois, les taux de croissance et le rendement de la biomasse obtenus - indicateurs clés de l'efficacité métabolique - étaient inférieurs à ceux de la bactérie non modifiée.
Optimisation par évolution en laboratoire
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont transplanté la voie glycine réductrice complète dans le génome de la bactérie, en optimisant cette fois son efficacité. Ils ont utilisé des éléments d'ADN mobiles capables de s'intégrer de manière aléatoire dans le génome et les ont chargés des composants de la voie de la glycine réductrice. En optimisant les modifications génomiques par évolution en laboratoire pour la croissance sur l'acide formique, ils ont amélioré l'efficacité de la voie. "Les cellules dans lesquelles les gènes de la voie de la glycine réductrice ont été favorablement intégrés et exprimés ont mieux poussé que les autres et ont été sélectivement enrichies jusqu'à ce que leur production soit proche de l'optimum physiologique", explique Beau Dronsella, premier auteur de l'étude publiée dans Nature Microbiology.
La souche modifiée et optimisée artificiellement a pu produire beaucoup plus de biomasse à partir d'acide formique et de CO₂ que la souche bactérienne naturelle. Les chercheurs ont même mesuré des rendements de biomasse plus élevés que toute production de biomasse à base d'acide formique précédemment enregistrée par des organismes utilisant soit le cycle de Calvin, soit des voies synthétiques. Cependant, la souche modifiée artificiellement était deux fois moins rapide que la souche naturelle.
Les chercheurs restent optimistes et pensent que l'évolution adaptative en laboratoire permettra de combler cet écart. La preuve que la biologie synthétique peut effectivement être utilisée plus efficacement dans un cadre biotechnologique pour fixer le carbone ne concerne pas seulement la voie de la glycine réductrice, mais aussi de nombreuses voies métaboliques artificielles en cours de développement. "Nos résultats offrent un grand potentiel pour la bioproduction durable à partir de l'acide formique et pourraient également améliorer les processus de bioproduction existants", déclare Beau Dronsella. "À terme, l'acide formique, comme l'hydrogène, pourrait servir de vecteur d'énergie chimique, ce qui permettrait de stocker les excédents d'énergie renouvelable et de les utiliser à l'avenir pour la bioproduction. Pour Tobias Erb, cette étude marque une étape importante dans le domaine émergent de la biologie synthétique : "Il est fascinant de constater qu'avec la biologie synthétique, nous pouvons concevoir en quelques années de nouvelles solutions qui surpassent ce qui a évolué dans la nature pendant des milliards d'années."
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