Produire du biocarburant par les microorganismes (II)

L’un des principaux obstacles à la production durable d’hydrogène par les microorganismes photosynthétiques est l’inhibition de l’hydrogénase par l’oxygène produit lors de la photosynthèse. C’est cette inhibition qui fait de la production naturelle d’hydrogène par les microorganismes un phénomène fugace.

Pour lever ce verrou primordial, les chercheurs ont pour objectif de comprendre les mécanismes déterminants de cette inhibition en s’inspirant de la diversité des enzymes et d’en déduire des stratégies de bio-ingénierie pour concevoir et tester des hydrogénases tolérantes à l’oxygène. A terme, l’ambition est de mettre en œuvre des approches génétiques permettant d’optimiser l’expression de ces enzymes performantes chez des microalgues et des cyanobactéries.

Pour cela, ils s’appuient notamment sur leur longue expertise dans le domaine des métalloenzymes(4), des enzymes capables de métaboliser les gaz, et en particulier des hydrogénases qui en font partie. La structure cristallographique de deux types d’hydrogénases a d’ailleurs été résolue au CEA dans les années 1990, dans les laboratoires de l’IBS(5), à Grenoble.

Stratégies mises en œuvre

L’hydrogénase est une enzyme composée d’un site actif (6) au niveau duquel l’hydrogène est synthétisé et d’un canal hydrophobe par lequel l’hydrogène est transporté jusqu’à ce site. Ce canal est également utilisé par l’oxygène pour venir inhiber l’enzyme. Aussi, pour modifier la sensibilité de l’enzyme à l’oxygène les chercheurs tentent d’agir sur deux leviers :

– diminuer la taille du canal hydrophobe afin de limiter l’arrivée de l’oxygène ;
– faciliter la réactivation du site actif, c’est-à-dire lever le plus rapidement possible l’inhibition une fois que l’oxygène a interagi avec le site actif.

Pour cela il est indispensable de caractériser le mode de transport de l’oxygène dans ce canal.

Ainsi, la modification de certains acides aminés, du canal ou du site actif, par génie génétique permet d’influer sur le transport de l’oxygène. Les chercheurs ont alors étudié dans quelles mesures ces transformations pouvaient également diminuer son effet inhibiteur sur l’hydrogénase.

Ce premier pas confirme que cette voie de recherche ouvre de nouvelles perspectives pour entreprendre la modification d’enzymes d’organismes photosynthétiques et ainsi améliorer leurs performances en termes de production d’hydrogène. La prochaine étape consistera donc à introduire ces modifications dans les hydrogénases de cyanobactéries et à déterminer leur efficacité in vivo.

[ Photo 1 :Structure moléculaire d’une hydrogénase à Fer (Clefs CEA 50-51) ]

4 Métalloenzymes : enzyme ayant un ou plusieurs ions métalliques associés à leur structure protéique et essentiels à leur activité catalytique ou au maintien de leur structure tridimensionnelle.
5 IBS : Institut de biologie structurale Jean-Pierre Ebel.
6 Site actif : le site actif est la partie du catalyseur ou d’une enzyme qui va interagir avec le(s) substrat(s) pour former le(s) produit(s).

Cette publication est issue du CEA. Le Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives demeure engagé dans des projets de biocarburants de 2ème génération (BioTfuel et Syndiese), et dans une recherche plus fondamentale consacrée à la 3e génération, qui permettra de s’affranchir d’une occupation des sols dédiée à la culture de la biomasse.