L’industrie chimique, qui dépend fortement des ressources fossiles pour produire des plastiques, des colorants et des arômes artificiels, consomme quotidiennement plus d’un million de tonnes de ces ressources, contribuant ainsi à environ 5 % des émissions mondiales. Les chercheurs, dirigés par le professeur Julia Vorholt, travaillent à réduire cette dépendance en développant des bactéries synthétiques capables de convertir le « méthanol vert » (créé à partir de CO2 et d'eau en utilisant des énergies renouvelables) en produits chimiques utiles, minimisant ainsi potentiellement l'empreinte carbone de l'industrie. Crédit : Sean Kilian
L’industrie chimique dépend principalement de ressources fossiles comme le pétrole brut pour fabriquer une gamme de produits chimiques, notamment des plastiques, des colorants et des arômes synthétiques.
«Au niveau mondial, on en consomme 500 millions de tonnes par an, soit plus d'un million de tonnes par jour», explique Julia Vorholt, professeur à l'Institut de microbiologie de l'ETH Zurich. « Comme ces conversions chimiques sont gourmandes en énergie, la véritable quantité de CO2 L’empreinte carbone de l’industrie chimique est même six à dix fois plus importante, représentant environ cinq pour cent des émissions totales mondiales. Elle et son équipe cherchent des moyens de réduire la dépendance de l'industrie chimique aux combustibles fossiles.
Méthanol vert
Les bactéries qui se nourrissent de méthanol, appelées méthylotrophes, sont au centre de ces efforts. Ne contenant qu'un seul carbone atome, le méthanol est l’une des molécules organiques les plus simples et peut être synthétisé à partir du dioxyde de carbone et de l’eau, un gaz à effet de serre. Si l’énergie nécessaire à cette réaction de synthèse provient de sources renouvelables, le méthanol est dit « vert ».
«Il existe des méthylotrophes naturelles, mais leur utilisation industrielle reste difficile malgré des efforts de recherche considérables», explique Michael Reiter, chercheur postdoctoral au sein du groupe de recherche de Vorholt, qui travaille plutôt avec la bactérie modèle biotechnologiquement bien comprise. Escherichia coli. L'équipe de Vorholt poursuit depuis plusieurs années l'idée de doter la bactérie modèle, qui se développe sur le sucre, de la capacité de métaboliser le méthanol.
Restructuration complète du métabolisme
«C'est un défi majeur car cela nécessite une restructuration complète du métabolisme cellulaire», explique Vorholt. Dans un premier temps, les chercheurs ont simulé ce changement à l’aide de modèles informatiques. Sur la base de ces simulations, ils ont choisi deux gènes à supprimer et trois nouveaux gènes à introduire. «En conséquence, les bactéries pourraient absorber le méthanol, mais seulement en petites quantités», explique Reiter.
Ils ont continué à cultiver les bactéries dans des conditions spéciales en laboratoire pendant plus d'un an jusqu'à ce que les microbes puissent produire tous les composants cellulaires à partir du méthanol. Au cours d'environ 1 000 générations supplémentaires, ces méthylotrophes synthétiques sont devenus de plus en plus efficaces, doublant finalement toutes les quatre heures lorsqu'ils étaient nourris uniquement avec du méthanol. «L'amélioration du taux de croissance rend les bactéries économiquement intéressantes», explique Vorholt.
Optimisation par perte de fonction
Comme le décrit l'équipe de Vorholt dans son article récemment publié, plusieurs mutations aléatoires sont responsables de l'efficacité accrue de l'utilisation du méthanol. La plupart de ces mutations ont entraîné la perte de fonction de divers gènes. Cela surprend à première vue, mais en y regardant de plus près, il apparaît que les cellules peuvent économiser de l'énergie grâce à la perte de fonction des gènes. Par exemple, certaines mutations provoquent l’échec des réactions inverses de réactions biochimiques importantes. « Cela supprime les conversions chimiques superflues et optimise le flux métabolique dans les cellules », écrivent les chercheurs.
Pour explorer le potentiel des méthylotrophes synthétiques pour la production biotechnologique de produits chimiques en vrac industriellement pertinents, Vorholt et son équipe ont équipé les bactéries de gènes supplémentaires pour quatre voies biosynthétiques différentes. Dans leur étude, ils montrent désormais que les bactéries produisent effectivement les composés souhaités dans tous les cas.
Plateforme de production polyvalente
Pour les chercheurs, cela prouve clairement que leurs bactéries modifiées peuvent tenir leurs promesses initiales : les microbes constituent une sorte de plate-forme de production très polyvalente dans laquelle des modules de biosynthèse peuvent être insérés selon le principe « plug-and-play », incitant les bactéries à convertir le méthanol en substances biochimiques souhaitées.
Cependant, les chercheurs doivent encore augmenter considérablement le rendement et la productivité pour permettre une utilisation économiquement viable de la bactérie. Vorholt et son équipe ont récemment reçu un fonds d'innovation « pour élargir davantage leurs plans vers des applications et sélectionner des produits sur lesquels se concentrer en premier », explique Vorholt.
Lorsque Reiter explique comment optimiser la culture de bactéries dans des bioréacteurs, il est enthousiasmé. « Compte tenu des défis du changement climatique, il est clair que des alternatives aux ressources fossiles sont nécessaires », dit-il. « Nous développons une technologie qui n’émet pas de CO supplémentaire2 dans l’atmosphère», explique Reiter. Et comme les méthylotrophes synthétiques, outre le méthanol vert, ne nécessitent aucune source de carbone supplémentaire pour leur croissance et leurs produits, ils permettent « de produire des produits chimiques renouvelables qui ne nuisent pas à l’environnement ».
