Des chercheurs de l'Institut indien des sciences (IISc) ont développé un système enzymatique acellulaire très efficace qui convertit les acides gras en 1-alcènes, des hydrocarbures polyvalents qui peuvent servir de biocarburants « d'appoint », de matières premières polymères ou de précurseurs pharmaceutiques.
L'étude est publiée dans la revue ACS Science centrale.
L’équipe a exploité une enzyme bactérienne liée à la membrane appelée UndB et a amélioré ses performances grâce à l’ingénierie enzymatique, au recyclage des co-substrats et à une refonte guidée par simulation moléculaire.
« Notre objectif est la bioproduction d'hydrocarbures à l'aide de ces métalloenzymes vraiment intéressantes », explique Debasis Das, auteur correspondant et professeur agrégé au Département de chimie inorganique et physique (IPC), IISc.
« Nous voulons comprendre la chimie fascinante de ces enzymes en termes de catalyse, et également exploiter leurs puissantes caractéristiques pour la production d'hydrocarbures. »
L'équipe a précédemment démontré un système biosynthétique de cellules entières qui utilisait E. coli pour exprimer UndB en tant qu'enzyme de fusion avec une autre enzyme appelée catalase. Mais cette approche présentait quelques inconvénients : il était difficile de maintenir des conditions de réaction optimales, de grandes quantités de cofacteurs coûteux étaient nécessaires et l'enzyme était potentiellement toxique pour les cellules bactériennes à des concentrations élevées.
Pour résoudre ce problème, l’équipe a intégré UndB dans un système acellulaire autonome qui imite l’environnement de réaction biologique sans dépendre de cellules vivantes. Ils ont brisé les cellules d'E. coli et extrait la fraction membranaire contenant l'UndB, puis l'ont combinée dans une solution avec de la catalase, des cofacteurs et une paire d'enzymes de recyclage des cofacteurs. La matière première d’acide gras pourrait ensuite être ajoutée directement à ce mélange réactionnel acellulaire.
« Un système sans cellules présente de nombreux avantages », explique Das. « Vous pouvez mieux contrôler la réaction, optimiser le système plus facilement et éviter les défis réglementaires qui accompagnent les biocatalyseurs à cellules entières. »
En découplant les contraintes cellulaires, l'équipe a obtenu une augmentation remarquable de 262 fois du nombre de renouvellement de l'enzyme (une mesure de la performance catalytique) et une augmentation d'environ 13 fois par rapport au système de cellules entières précédent. Ils ont également obtenu une réduction drastique de la consommation de cofacteurs coûteux et une conversion presque complète du substrat (jusqu'à 98 % de rendement), même avec des concentrations minimales de l'enzyme.
Les conditions de réaction requises étaient également douces (température ambiante et pH neutre) et aucun sous-produit toxique n'était généré, ce qui rend le processus respectueux de l'environnement.
Mais le système avait encore du mal à traiter les acides gras à longue chaîne, qui sont plus abondants que les acides gras de longueur moyenne. Lorsque l’équipe a examiné les variantes d’UndB parmi les espèces bactériennes, elle a découvert qu’il existait deux classes distinctes qui préféraient les substrats d’acides gras de différentes longueurs. Ils se sont tournés vers des simulations de dynamique moléculaire pour comprendre pourquoi.
« Nous avons constaté que de subtils changements structurels modulent la cavité tunnel à l'intérieur de l'enzyme afin qu'elle puisse accueillir des acides gras à chaîne plus longue », explique Abhishek Sirohiwal, auteur co-correspondant et professeur adjoint à l'IPC, qui a dirigé l'analyse informatique.
En introduisant des changements structurels ciblés, en remplaçant une région hélicoïdale éloignée du site catalytique, l'équipe a conçu une version d'UndB capable de traiter efficacement des acides gras de plus grande longueur.
« L'ingénierie enzymatique ainsi que les études informatiques nous ont permis de mieux comprendre les résidus qui dictent la spécificité du substrat », explique Subashini Murugan, co-premier auteur et doctorant. étudiant à l'IPC. Cela a conduit à des rendements plus élevés de 1-alcènes plus longs comme le 1-pentadécène, qui sont d'importants précurseurs pharmaceutiques et biomembranaires.
Les acides gras sont peu coûteux et abondants, notamment dans les déchets organiques ; leur valeur est multipliée par plusieurs lorsqu'elle est convertie en alcènes. La plateforme biocatalytique de l'équipe offre une alternative à la synthèse à partir de produits pétrochimiques.
« Si nous pouvons convertir les huiles usées en alcènes, qui peuvent être utilisés comme carburants ou éléments de base pour des polymères ou des lubrifiants, nous obtiendrons alors des avantages à la fois environnementaux et économiques », explique Das.
L’équipe a obtenu un brevet pour cette technologie et explore des collaborations industrielles pour une production à grande échelle.
