Des matériaux bruts à partir de CO2

Pour une bioéconomie neutre en carbone, des procédés capables de capturer efficacement le CO₂ et de le convertir en produits à valeur ajoutée sont nécessaires. L’acide formique, ou plus précisément son sel, le formiate, est considéré comme un candidat prometteur car il peut être produit à partir du CO₂ en utilisant de l’électricité renouvelable. Il est également facile à transporter, non toxique et polyvalent. La recherche se concentre, entre autres, sur les micro-organismes qui sont ‘nourris’ avec de l’acide formique fabriqué à partir de CO₂ et l’utilisent pour produire des produits chimiques de base ou des carburants.

Une équipe dirigée par Maren Nattermann à l’Institut Max Planck de microbiologie terrestre a développé une enzyme synthétique conçue pour effectuer l’étape de conversion centrale avec précision et stabilité dans un processus enzymatique unique. Cela s’appuie sur des recherches antérieures au cours desquelles l’équipe a établi une voie du formyl phosphate entièrement synthétique dans des bactéries.

La voie métabolique synthétique

Jusqu’à présent, seules certaines bactéries étaient capables d’utiliser l’acide formique. Les voies métaboliques naturelles contournent le produit intermédiaire formaldéhyde, qui est un point de départ important pour intégrer le CO₂ dans le métabolisme cellulaire. Les chercheurs ont construit un pont artificiel sous la forme d’une voie métabolique synthétique du formyl phosphate, qu’ils ont incorporée dans des bactéries E. coli vivantes.

Le partenaire de coopération Sebastian Wenk (chef de projet, Université de Groningue) explique : « Notre travail a montré qu’une voie métabolique synthétique pour traiter le formiate fonctionne dans des organismes vivants — une étape significative vers le développement de micro-organismes biotechnologiquement utiles qui peuvent utiliser le formiate obtenu à partir du CO₂ pour produire de la nourriture, des carburants et des matériaux ». Le formaldéhyde est immédiatement traité par la cellule et ne s’accumule pas.

Cependant, la connexion au métabolisme cellulaire doit être robuste — après tout, elle est en concurrence avec un métabolisme naturel bien établi qui a évolué sur des millions d’années. Jusqu’à présent, les chercheurs n’ont pu développer que des cascades enzymatiques complexes, fragiles, à plusieurs étapes qui libèrent des produits intermédiaires sensibles, comme le formyl phosphate ou le formyl-CoA, qui ont tendance à se décomposer ou à entrer dans des réactions secondaires indésirables.  D’un point de vue biotechnologique, l’objectif est un « régime complet au formiate » dans lequel les bactéries se développent exclusivement sur de l’acide formique, sans avoir besoin d’additifs coûteux.

Des enzymes sur mesure

Récemment, le groupe a réalisé une percée décisive avec une enzyme formiate réductase sur mesure qui peut convertir l’acide formique en formaldéhyde de manière précise et robuste. Cette enzyme, connue sous le nom de FAR (formiate réductase), est basée sur une réductase d’acide carboxylique (CAR) trouvée dans la bactérie Mycobacteroides abscessus. Cette enzyme a été modifiée par mutagénèse ciblée et criblage à haut débit pour sélectionner préférentiellement de petites molécules comme le formiate. « Avec FAR, nous avons maintenant une seule enzyme robuste qui réduit de manière fiable le formiate en formaldéhyde — exactement là où de nombreuses voies biotechnologiques commencent », explique Nattermann. « Cela nous fournit un bloc de construction manquant pour les futures bioconversions basées directement sur des matières premières issues du CO₂ ».

« Le plus important est que notre enzyme tolère de fortes concentrations de formiate, alors que les systèmes précédents échouaient complètement dans ces conditions », ajoute Philipp Wichmann, le premier auteur de l’étude. C’est précisément cette stabilité qui rend FAR attrayante pour les procédés industriels dans lesquels le formiate est produit électrochimiquement à des concentrations très élevées. Sans l’utilisation de méthodes à haut débit, ce résultat n’aurait pas été réalisable en si peu de temps. « Après avoir criblé environ 4 000 variants, nous avons obtenu une multiplication par cinq de la production de formaldéhyde », explique Nattermann.

FAR est désormais une enzyme qui peut être utilisée à la fois dans des cellules vivantes et des systèmes acellulaires, ainsi que dans des chaînes de production électrobiochimiques. À l’avenir, des produits chimiques de base, des bioplastiques ou des carburants pourraient être produits à partir de formiate issu du CO₂. Les chercheurs prévoient déjà de combiner FAR avec d’autres voies métaboliques synthétiques, par exemple, pour produire des molécules riches en énergie.

Article : Engineering a Formic Acid Reductase – Journal : ACS Catalysis

Source : MPG