Biofactories de nouvelle génération : comment de minuscules bactéries pourraient révolutionner les matériaux que nous utilisons au quotidien

Des chercheurs de l’ETH Zurich ont modifié certaines bactéries à l’aide de rayons UV pour qu’elles produisent davantage de cellulose. Ils ont pour cela recours à une nouvelle approche qui consiste à générer des milliers de variantes bactériennes et à sélectionner celles qui se sont révélées les plus productives.

• Des chercheurs en matériaux de l'ETH Zurich ont créé 40 000 variantes de la bactérie productrice de cellulose Komagataeibacter sucrofermentans.
• Parmi eux, quatre produisent jusqu’à soixante-dix pour cent de cellulose en plus que ceux sous leur forme originale.
• Les chercheurs y sont parvenus grâce à une nouvelle approche développée spécifiquement à cet effet, qu’ils ont brevetée.
• La cellulose est une matière première très recherchée pour les applications alimentaires, textiles et biomédicales, par exemple.

Production bactérienne durable

Les bactéries produisent des matériaux intéressants pour l'homme, comme la cellulose, la soie et les minéraux. Cette méthode de production de bactéries présente l'avantage d'être durable, de se dérouler à température ambiante et dans l'eau. L'inconvénient est que le processus prend du temps et produit des quantités trop faibles pour être utilisées industriellement.

Les chercheurs tentent donc depuis longtemps de transformer les micro-organismes en mini-usines vivantes capables de produire plus rapidement de grandes quantités d'un produit souhaité. Cela nécessite soit une intervention ciblée sur le génome, soit la culture des souches bactériennes les plus adaptées.

Méthodes évolutives pour une production accrue

Une nouvelle approche est désormais présentée par le groupe de recherche dirigé par André Studart, professeur de matériaux complexes à l'ETH Zurich, en utilisant la bactérie productrice de cellulose Komagataeibacter sucrofermentansEn suivant les principes de l’évolution par sélection naturelle, la nouvelle méthode permet aux scientifiques de produire très rapidement des dizaines de milliers de variantes de la bactérie et de sélectionner les souches qui produisent le plus de cellulose.

Grâce à ce système de tri au format micro, des cellules individuelles peuvent être emballées dans de minuscules bulles. Crédit : Julie Laurent / ETH Zurich

K. sucrofermentans La cellulose produit naturellement de la cellulose de haute pureté, un matériau très demandé pour les applications biomédicales et la production de matériaux d’emballage et de textiles. Ce type de cellulose a notamment pour propriétés de favoriser la cicatrisation des plaies et de prévenir les infections. « Cependant, les bactéries se développent lentement et produisent une quantité limitée de cellulose. Il a donc fallu trouver un moyen d’augmenter la production », explique Julie Laurent, doctorante au sein du groupe de Studart et première auteure d’une étude qui vient d’être publiée dans la revue scientifique PNAS.

L’approche qu’elle a développée a réussi à produire un petit nombre de Komagataeibacter des variantes qui génèrent jusqu’à soixante-dix pour cent de cellulose en plus que dans leur forme originale.

Accélérer l'évolution grâce à la lumière UV

La chercheuse en matériaux a d’abord dû créer de nouvelles variantes de la bactérie originelle présente dans la nature, appelée type sauvage. Pour ce faire, Julie Laurent a irradié les cellules bactériennes avec une lumière UV-C, qui endommage des points aléatoires de la bactérie. ADN. Elle a ensuite placé les bactéries dans une pièce sombre pour empêcher toute réparation des dommages à l’ADN et ainsi induire des mutations.

À l’aide d’un appareil miniature, elle a ensuite encapsulé chaque cellule bactérienne dans une minuscule gouttelette de solution nutritive et a laissé les cellules produire de la cellulose pendant une durée déterminée. Après la période d’incubation, elle a utilisé la microscopie à fluorescence pour analyser quelles cellules avaient produit beaucoup de cellulose et lesquelles n’en avaient pas produit ou très peu.

Grâce à un système de tri développé par le groupe du chimiste de l'ETH Zurich Andrew De Mello, l'équipe de Studart a pu trier automatiquement les cellules qui avaient évolué pour produire une quantité exceptionnellement élevée de cellulose. Ce système de tri est entièrement automatisé et très rapide. En quelques minutes, il peut scanner un demi-million de gouttes avec un laser et trier celles qui contenaient le plus de cellulose. Il n'en restait que quatre, qui produisaient 50 à 70 pour cent de cellulose de plus que le type sauvage.

Tapis de cellulose lyophilisé produit par le type sauvage. Crédit : Peter Rüegg / ETH Zurich

Connaissances génétiques et applications industrielles

L'évolué K. sucrofermentans Les cellules peuvent se développer et produire de la cellulose sous forme de tapis dans des flacons en verre à l'interface entre l'air et l'eau. Un tel tapis pèse naturellement entre deux et trois milligrammes et mesure environ 1,5 millimètre d'épaisseur. Les tapis de cellulose des variantes nouvellement évoluées sont presque deux fois plus lourds et épais que ceux du type sauvage.

Le tapis lyophilisé produit par l'une des variantes les plus productives est beaucoup plus épais. Crédit : Peter Rüegg / ETH Zurich

Julie Laurent et ses collègues ont également analysé génétiquement ces quatre variantes pour déterminer quels gènes avaient été modifiés par la lumière UV-C et comment ces changements avaient conduit à la surproduction de cellulose. Les quatre variantes présentaient la même mutation dans le même gène. Ce gène est le code génétique d’une enzyme dégradant les protéines, une protéase. À la surprise de la chercheuse en matériaux, les gènes qui contrôlent directement la production de cellulose n’avaient cependant pas changé. « Nous soupçonnons que cette protéase dégrade les protéines qui régulent la production de cellulose. Sans cette régulation, la cellule ne peut plus arrêter le processus », explique la chercheuse.

Applications et brevets futurs

Cette nouvelle approche est polyvalente et peut être appliquée à des bactéries produisant d’autres matériaux. À l’origine, de telles approches ont été développées pour créer des bactéries produisant certaines protéines ou enzymes. « Nous sommes les premiers à utiliser une telle approche pour améliorer la production de matériaux non protéiques », explique le professeur André Studart de l’ETH Zurich. « Pour moi, ce travail est une étape importante. »

Les chercheurs ont déposé un brevet pour cette approche et des variantes bactériennes mutées.

Dans une prochaine étape, ils aimeraient collaborer avec des entreprises produisant de la cellulose bactérienne pour tester le nouveau micro-organisme dans des conditions industrielles réelles.