La biologie synthétique ouvre une nouvelle voie pour la capture du CO2

La biologie synthétique initie le mouvement vers des perspectives inédites pour la capture et la conversion du dioxyde de carbone (CO2). Une équipe de chercheurs allemands a ainsi mis au point un cycle biochimique synthétique qui convertit directement le CO2 en Acétyl-CoA, un élément central de la construction cellulaire.

La mise au point de nouvelles méthodes pour la capture et la conversion du CO2 est essentielle pour faire face à l’urgence climatique. La biologie synthétique offre la possibilité de concevoir des voies de fixation du CO2 inédites, plus efficaces que celles développées par la nature. Cependant, l’implémentation de ces nouvelles voies dans différents systèmes in vitro et in vivo reste un défi fondamental.

Les chercheurs de l’Institut Max-Planck de microbiologie terrestre ont conçu et construit une nouvelle voie de fixation du CO2 synthétique, le cycle THETA. Ce cycle comprend plusieurs métabolites centraux comme intermédiaires, et l’acétyl-CoA comme produit final. Cette caractéristique permet de le diviser en modules et de l’intégrer au métabolisme central d’E. coli.

Le cycle THETA : une innovation majeure

Le cycle THETA implique 17 biocatalyseurs et a été conçu autour des deux enzymes de fixation du CO2 les plus rapides connues à ce jour : la crotonyl-CoA carboxylase/réductase et la phosphoénolpyruvate carboxylase. Ces puissants biocatalyseurs ont été trouvés dans des bactéries.

Bien que chacune de ces carboxylases puisse capturer le CO2 plus de 10 fois plus rapidement que la RubisCO, – l’enzyme de fixation du CO2 dans les chloroplastes – l’évolution n’a pas réuni ces enzymes dans la photosynthèse naturelle.

Le cycle THETA convertit deux molécules de CO2 en une acétyl-CoA en un cycle. L’acétyl-CoA est un métabolite central dans presque tous les métabolismes cellulaires et sert de bloc de construction pour une large gamme de biomolécules vitales, dont les biocarburants, les biomatériaux et les produits pharmaceutiques, ce qui en fait un composé d’un grand intérêt dans les applications biotechnologiques.

Vers une intégration réussie dans les cellules vivantes

Après avoir construit le cycle en éprouvettes, les chercheurs ont pu confirmer sa fonctionnalité. Puis, grâce à une optimisation guidée par l’apprentissage machine, ils ont réussi à améliorer le rendement en acétyl-CoA d’un facteur 100.

Pour tester sa faisabilité in vivo, l’intégration dans la cellule vivante devait être réalisée étape par étape. Les chercheurs ont donc divisé le cycle THETA en trois modules, chacun ayant été implanté avec succès dans la bactérie E. coli. La fonctionnalité de ces modules a été vérifiée par sélection couplée à la croissance et/ou marquage isotopique.

En synthèse

La biologie synthétique offre une nouvelle voie prometteuse pour la capture et la conversion du CO2. Le cycle THETA représente une avancée significative dans ce domaine. Bien que la fermeture complète du cycle reste un défi majeur, les chercheurs sont optimistes quant à son potentiel en tant que plateforme polyvalente pour la production de composés précieux directement à partir du CO2.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le cycle THETA ?

Le cycle THETA est une nouvelle voie de fixation du CO2 synthétique conçue et construite par les chercheurs de l’Institut Max-Planck pour la Microbiologie Terrestre. Il convertit directement le CO2 en acétyl-CoA, un élément central de la construction cellulaire.

Qu’est-ce que l’acétyl-CoA ?

L’acétyl-CoA est un métabolite central dans presque tous les métabolismes cellulaires. Il sert de bloc de construction pour une large gamme de biomolécules vitales, y compris les biocarburants, les biomatériaux et les produits pharmaceutiques.

Quels sont les avantages du cycle THETA ?

Le cycle THETA offre une nouvelle voie pour la capture et la conversion du CO2, plus efficace que celles développées par la nature. Il a le potentiel de devenir une plateforme polyvalente pour la production de composés précieux directement à partir du CO2.

Quels sont les défis associés au cycle THETA ?

La fermeture complète du cycle THETA reste un défi majeur. Toutes les 17 réactions doivent être synchronisées avec le métabolisme naturel d’E. coli, qui implique naturellement des centaines à des milliers de réactions.

Quelle est la prochaine étape pour les chercheurs ?

Les chercheurs travaillent actuellement à l’intégration complète du cycle THETA dans E. coli. Ils espèrent que cela ouvrira la voie à la réalisation de voies de fixation du CO2 hautement complexes et nouvelles dans les usines cellulaires.

Références

Légende illustration principale : Des chercheurs du MPI pour la microbiologie terrestre ont conçu et construit une nouvelle voie synthétique de fixation du CO2, le cycle THETA. Crédit : Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology/Geisel

Article : « Construction and modular implementation of the THETA cycle for synthetic CO2 fixation. Nature Catalysis, 6(12), 1228-1240. » – 10.1038/s41929-023-01079-z