Une nouvelle technique évolutive, conçue pour sélectionner les souches d'E. Coli capables de métaboliser plus efficacement l'acétate – une source de carbone durable et rentable – a été développée par une équipe de recherche dirigée par le professeur Donghyuk Kim de l'École de génie chimique et de génie chimique chez Unist, en collaboration avec le professeur Gyoo Yeol Jung et Dr. Myung Hyun.
Les souches ont évolué à travers cette méthode démontre une augmentation de 1,7 fois de leur capacité à convertir l'acétate en acide itaconique, une matière première clé pour les adhésifs et les bioplastiques respectueux de l'environnement. L'équipe prévoit que cette avancement ouvre la voie à la transformation des usines de cellules microbiennes en producteurs stables et efficaces de matières premières chimiques. Cette recherche a été publiée dans Technologie BioResource.
L'acide itaconique est un polymère biodégradable et un composant clé dans les adhésifs médicaux. Actuellement, il est principalement produit par la fermentation des amidons par des champignons, un processus qui consomme des ressources alimentaires importantes et entraîne des coûts de production élevés.
En tant qu'alternative, l'acétate – dérivé principalement du vinaigre – offre un substrat bon marché et abondant. De plus, l'utilisation d'acétate associée à une capture de dioxyde de carbone peut contribuer aux efforts de réduction du carbone. Cependant, les microbes ont généralement du mal à métaboliser efficacement l'acétate en raison de la toxicité et du fardeau métabolique, entraînant des rendements limités en acide itaconique.
Pour surmonter ce défi, l'équipe de recherche a utilisé une approche adaptative d'évolution de laboratoire (ALE), en sélectionnant des souches qui prospèrent sur des niveaux élevés d'acide itaconique. Ils ont intégré des biocapteurs – conçus pour exprimer des gènes de résistance aux antibiotiques en réponse aux concentrations d'acide itaconique dérivées d'acétate – dans E. coli. En augmentant progressivement les niveaux d'antibiotiques pendant les cycles de culture répétés, seules les souches capables de produire des niveaux élevés d'acide iTaconique ont survécu et prospéré.
Après environ 50 générations d'évolution de laboratoire, l'équipe a isolé des souches présentant 1,7 fois plus de production d'acide iTaconique et des taux de division cellulaire plus rapides par rapport aux souches d'origine.
Pour élucider la base génétique de ces améliorations, des analyses du génome entier et du transcriptome ont été effectuées. Remarquablement, les souches évoluées possédaient une grande suppression génomique couvrant environ 31 000 paires de bases, dont deux gènes impliqués dans le métabolisme de l'acétate et l'efficacité de croissance. La suppression s'est avérée induire la réponse stricte, un mécanisme d'adaptation du stress, modifiant la physiologie cellulaire pour favoriser l'utilisation et la croissance améliorées de l'acétate.
Jihoon Woo, le premier auteur de l'étude, a expliqué: « Bien que la réponse stricte soit généralement connue pour supprimer la croissance et conserver les ressources sous le stress, dans ce cas, elle a étonnamment facilité le métabolisme le plus efficace de l'acétate et a amélioré la croissance et la production. »
D'autres expériences ont démontré que la surexprimant REA, un gène responsable de la synthèse de la molécule de signalisation PPGPP qui déclenche la réponse stricte, a récapitulé les phénotypes améliorés observés dans les souches évoluées.
Le professeur Kim a commenté: « Grâce à cette approche de biologie évolutive et des systèmes, nous avons réinterprété les réponses physiologiques microbiennes et avons transformé ce qui était auparavant considéré comme un inconvénient – la réponse stricte – en un avantage pour la bioproduction. Cette stratégie offre des informations prometteuses pour développer des technologies de fabrication chimique durables à l'époque post-fossile. »
