En utilisant une enzyme inhabituelle, dépendant de la lumière, et un mécanisme enzymatique récemment découvert, les chercheurs de l’université d’Aarhus et du Massachusetts Institute of Technology ont permis la synthèse biologique de la production à haut rendement de combustibles industriels à partir de déchets biologiques, sans incidence sur le climat.
Une enzyme spéciale dépendant de la lumière, découverte il y a environ trois ans, est au centre d’une nouvelle découverte scientifique, qui permet la production à haut rendement de biocarburants à partir de la biomasse.
Dans une étude publiée aujourd’hui dans Nature Communications, des ingénieurs de l’université d’Aarhus et du Massachusetts Institute of Technology ont prouvé que l’hypothèse initiale du processus enzymatique dans cette conversion de la biomasse en biocarburants est en fait fausse.
Les résultats ont permis aux chercheurs de biosynthétiser avec succès des carburants verts à des niveaux proches de ceux utilisés dans l’industrie, soit 1,47 gramme par litre de glucose.
L’enzyme dépendant de la lumière, qui provient de microalgues, a la particularité de pouvoir décarboxyler les acides gras en alcanes (convertissant ainsi la biomasse cellulosique en biocarburants) en utilisant la lumière bleue comme seule source d’énergie.
Les chercheurs insèrent artificiellement l’enzyme dans les cellules de la levure oléagineuse Yarrowia Lipolytica, ce qui permet d’organiser son métabolisme. La levure synthétise le glucose, provenant de la biomasse, en lipides (plus précisément les molécules d’acides gras libres et d’acyl-CoAs gras) qui sont ensuite convertis en alcanes par l’enzyme dans une réaction métabolique appelée photodécarboxylase d’acide gras, en abrégé FAP.
Mais depuis la découverte de l’enzyme, on suppose que les acides gras libres sont le réactif préféré de l’enzyme dans le processus de la FAP. Qu’une abondance d’acides gras libres entraînerait une production de biocarburants à rendement plus élevé.
Faux, cependant
« Dans notre étude, nous avons prouvé que l’acyl-CoA gras – et non l’acide gras libre – est le réactif préféré de l’enzyme dépendant de la lumière. Cette découverte a été utilisée avec succès dans notre étude pour métaboliser 89 % de l’acyl-CoA gras en alcanes, atteignant des titres de 1,47 g/l de glucose », explique Bekir Engin Eser, professeur assistant à l’université d’Aarhus.
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La production prédominante de carburants à base d’oléochimie est aujourd’hui réalisée par la conversion de produits oléochimiques « classiques » tels que les huiles végétales, les huiles de cuisson usagées, le suif et d’autres lipides en hydrocarbures (principalement des alcanes) à l’aide de méthodes de traitement chimique à haute intensité énergétique.
Cependant, l’approvisionnement en grandes quantités de matières premières lipidiques plus ou moins durables à un coût suffisamment bas pour permettre une production rentable de biocarburants sans pesticides reste un défi qui limite sérieusement l’expansion de cette plateforme de production. De plus, cette production est en concurrence avec l’approvisionnement alimentaire.
La biosynthèse constitue une solution bon marché et durable, où la production est plutôt basée sur la conversion de la biomasse cellulosique – la ressource biologique naturelle renouvelable la plus abondante disponible sur Terre.
La synthèse biologique d’alcanes à partir d’acides gras n’est cependant pas une voie métabolique native et préférable pour la levure, car les alcanes sont toxiques pour ses cellules. C’est pourquoi les chercheurs utilisent des enzymes à capacité spéciale à cette fin et codent les gènes correspondants dans les cellules de la levure.
Cette nouvelle découverte est une percée possible dans la biosynthèse des carburants à usage unique, puisque les chercheurs – pour la première fois dans l’histoire de ce processus – ont utilisé les nouvelles connaissances pour synthétiser des carburants verts à un niveau pertinent pour la future production industrielle :
« Les précédentes études de génie métabolique visaient à maximiser la concentration d’acides gras libres dans les cellules qui sont modifiées. Mais maintenant, avec cette découverte, nous savons que c’est l’acyl-CoA gras qui doit être maximisé. C’est une nouvelle importante pour les applications de la biologie synthétique, et nous pouvons maintenant commencer à maximiser le flux d’acyl-CoA gras dans cette voie métabolique modifiée pour atteindre des titres encore plus élevés à l’avenir« , déclare le professeur associé Zheng Guo de l’université d’Aarhus.
