L’enzyme, appelée rubisco, aide les plantes et les bactéries photosynthétiques à incorporer le dioxyde de carbone dans les sucres.
Au cours de la photosynthèse, une enzyme appelée rubisco catalyse une réaction clé : l’incorporation du dioxyde de carbone dans des composés organiques pour créer des sucres. Cependant, la rubisco, considérée comme l’enzyme la plus abondante sur Terre, est très inefficace par rapport aux autres enzymes impliquées dans la photosynthèse.
Des chimistes du MIT ont désormais démontré qu’ils pouvaient considérablement améliorer une version de la rubisco présente dans les bactéries issues d’un environnement pauvre en oxygène. À l’aide d’un processus appelé « évolution dirigée », ils ont identifié des mutations susceptibles d’augmenter l’efficacité catalytique de la rubisco jusqu’à 25 %.
Les chercheurs prévoient désormais d’appliquer leur technique à des formes de rubisco qui pourraient être utilisées dans les plantes afin d’augmenter leur taux de photosynthèse, ce qui pourrait potentiellement améliorer les rendements agricoles.
« Je pense qu’il s’agit là d’une démonstration convaincante de l’amélioration réussie des propriétés enzymatiques de la rubisco, qui laisse entrevoir de grands espoirs pour la conception d’autres formes de rubisco », déclare Matthew Shoulders, professeur de chimie de la promotion 1942 au MIT.
Matthew Shoulders et Robert Wilson, chercheur au département de chimie, sont les auteurs principaux de la nouvelle étude, qui paraît cette semaine dans les Proceedings of the National Academy of Sciences. Julie McDonald, étudiante diplômée du MIT, est l’auteure principale de l’article.
Évolution de l’efficacité
Lorsque les plantes ou les bactéries photosynthétiques absorbent l’énergie du soleil, elles la convertissent d’abord en molécules stockant l’énergie, telles que l’ATP. Au cours de la phase suivante de la photosynthèse, les cellules utilisent cette énergie pour transformer une molécule appelée ribulose bisphosphate en glucose, ce qui nécessite plusieurs réactions supplémentaires. La rubisco catalyse la première de ces réactions, appelée carboxylation. Au cours de cette réaction, le carbone du CO2 est ajouté au ribulose bisphosphate.
Comparée aux autres enzymes impliquées dans la photosynthèse, la rubisco est très lente, ne catalysant qu’une à dix réactions par seconde. De plus, la rubisco peut également interagir avec l’oxygène, ce qui entraîne une réaction concurrente qui incorpore de l’oxygène au lieu du carbone, un processus qui gaspille une partie de l’énergie absorbée par la lumière du soleil.
« Pour les ingénieurs en protéines, il s’agit là d’un ensemble de problèmes très intéressants, car ces caractéristiques semblent pouvoir être améliorées en modifiant la séquence d’acides aminés de l’enzyme », explique M. McDonald.
Des recherches antérieures ont permis d’améliorer la stabilité et la solubilité de la rubisco, ce qui s’est traduit par de légers gains d’efficacité enzymatique. La plupart de ces études ont utilisé l’évolution dirigée, une technique qui consiste à muter aléatoirement une protéine naturelle, puis à la sélectionner pour faire apparaître de nouvelles caractéristiques souhaitables.
Ce processus est généralement réalisé à l’aide de la PCR, une technique sujette à des erreurs qui génère d’abord des mutations in vitro (à l’extérieur de la cellule), en introduisant généralement une ou deux mutations seulement dans le gène cible. Dans les études antérieures sur la rubisco, cette bibliothèque de mutations était ensuite introduite dans des bactéries qui se développent à un rythme proportionnel à l’activité de la rubisco. Les limites de la PCR sujette à erreur et de l’efficacité de l’introduction de nouveaux gènes restreignent le nombre total de mutations pouvant être générées et sélectionnées à l’aide de cette approche. Les étapes manuelles de mutagenèse et de sélection allongent également la durée du processus sur plusieurs cycles d’évolution.
L’équipe du MIT a plutôt utilisé une technique de mutagenèse plus récente développée précédemment par le laboratoire Shoulders, appelée MutaT7. Cette technique permet aux chercheurs d’effectuer à la fois la mutagenèse et le criblage dans des cellules vivantes, ce qui accélère considérablement le processus. Leur technique leur permet également de muter le gène cible à un rythme plus élevé.
« Notre technique d’évolution dirigée continue vous permet d’observer beaucoup plus de mutations dans l’enzyme que ce qui était possible auparavant », ajoute M. McDonald.
Une meilleure rubisco
Pour cette étude, les chercheurs ont commencé par une version de la rubisco isolée à partir d’une famille de bactéries semi-anaérobies appelées Gallionellaceae, qui est l’une des rubisco les plus rapides que l’on trouve dans la nature. Au cours des expériences d’évolution dirigée, menées sur E. coli, les chercheurs ont maintenu les microbes dans un environnement contenant des niveaux d’oxygène atmosphériques, créant ainsi une pression évolutive pour qu’ils s’adaptent à l’oxygène.
Après six cycles d’évolution dirigée, les chercheurs ont identifié trois mutations différentes qui amélioraient la résistance de la rubisco à l’oxygène. Chacune de ces mutations est située près du site actif de l’enzyme (où elle effectue la carboxylation ou l’oxygénation). Les chercheurs pensent que ces mutations améliorent la capacité de l’enzyme à interagir préférentiellement avec le dioxyde de carbone plutôt qu’avec l’oxygène, ce qui entraîne une augmentation globale de l’efficacité de la carboxylation.
« La question sous-jacente ici est la suivante : peut-on modifier et améliorer les propriétés cinétiques de la rubisco afin qu’elle fonctionne mieux dans les environnements où l’on souhaite qu’elle fonctionne mieux ? », précise M. Shoulders. « Ce qui a changé grâce au processus d’évolution dirigée, c’est que la rubisco a commencé à moins réagir avec l’oxygène. Cela lui permet de bien fonctionner dans un environnement riche en oxygène, où normalement elle serait constamment distraite et réagirait avec l’oxygène, ce que l’on ne souhaite pas. »
Dans le cadre de leurs travaux en cours, les chercheurs appliquent cette approche à d’autres formes de rubisco, notamment celle provenant des plantes. On estime que les plantes perdent environ 30 % de l’énergie solaire qu’elles absorbent par un processus appelé photorespiration, qui se produit lorsque la rubisco agit sur l’oxygène au lieu du dioxyde de carbone.
« Cela ouvre vraiment la voie à de nombreuses nouvelles recherches passionnantes, et c’est un pas en avant par rapport aux types d’ingénierie qui ont dominé l’ingénierie de la rubisco dans le passé », conclut M. Wilson. « Une meilleure rubisco pourrait avoir des avantages indéniables pour la productivité agricole. »
Article : « In vivo directed evolution of an ultrafast Rubisco from a semianaerobic environment imparts oxygen resistance » – DOI : 10.1073/pnas.2505083122
