Cette protéine naturelle, appelée CelOCE, a été obtenue au Centre brésilien de recherche sur l’énergie et les matériaux et peut être immédiatement incorporée dans le processus industriel. La découverte a été publiée dans la revue Nature.
La déconstruction de la cellulose est essentielle à la conversion de la biomasse en carburants et en produits chimiques. Mais la cellulose, le polymère renouvelable le plus abondant de la planète, est extrêmement récalcitrante à la dépolymérisation biologique. Bien qu’elle soit entièrement composée d’unités de glucose, sa structure microfibrillaire cristalline et son association avec la lignine et les hémicelluloses dans les parois cellulaires des plantes la rendent très résistante à la dégradation. Par conséquent, sa dégradation dans la nature est lente et nécessite des systèmes enzymatiques complexes. La déconstruction de la cellulose, qui pourrait notamment permettre d’augmenter considérablement la production d’éthanol à partir de la canne à sucre, constitue un défi technologique majeur depuis des décennies.
Des chercheurs du Centre brésilien de recherche sur l’énergie et les matériaux (CNPEM), en partenariat avec des collègues d’autres institutions brésiliennes et étrangères, viennent d’obtenir une enzyme qui pourrait littéralement révolutionner le processus de déconstruction de la cellulose, permettant, entre autres applications technologiques, la production à grande échelle d’éthanol dit de deuxième génération, dérivé de déchets agro-industriels tels que la bagasse de canne à sucre et la paille de maïs. L’étude a été publiée dans la revue Nature.
« Nous avons identifié une métalloenzyme qui améliore la conversion de la cellulose grâce à un mécanisme jusqu’alors inconnu de liaison du substrat et de clivage oxydatif. Cette découverte établit une nouvelle frontière en biochimie redox pour la dépolymérisation de la biomasse végétale, avec de vastes implications pour la biotechnologie », a déclaré à l’Agência FAPESP Mário Murakami, chef du groupe de recherche sur la biocatalyse et la biologie synthétique du CNPEM et coordinateur de l’étude.
L’enzyme nouvellement découverte a été baptisée CelOCE, qui signifie cellulose oxidative cleaving enzyme (enzyme de clivage oxydatif de la cellulose). Elle clive la cellulose en utilisant un mécanisme sans précédent, permettant aux autres enzymes du cocktail enzymatique de poursuivre leur travail et de convertir les fragments en sucre. « Pour utiliser une comparaison, la récalcitrance de la structure cristalline de la cellulose provient d’une série de serrures que les enzymes classiques ne peuvent pas ouvrir. CelOCE ouvre ces verrous, ce qui permet à d’autres enzymes d’effectuer la conversion. Son rôle n’est pas de produire le produit final mais de rendre la cellulose accessible. Il y a une synergie, une potentialisation de l’action d’autres enzymes par l’action de CelOCE », commente Mário Murakami.
Changement de paradigme
Selon le chercheur, l’ajout de monooxygénases au cocktail enzymatique, il y a une vingtaine d’années, a constitué la première révolution. Ces enzymes oxydent directement les liaisons glycosidiques de la cellulose, facilitant ainsi l’action des autres enzymes. C’était la première fois que la biochimie redox était utilisée comme stratégie microbienne pour surmonter la récalcitrance de la biomasse cellulosique. Cela a établi un paradigme. Tout ce qui a été découvert à l’époque était basé sur les monooxygénases. Aujourd’hui, pour la première fois, ce paradigme a été brisé par la découverte de CelOCE, qui n’est pas une monooxygénase et qui fournit un résultat beaucoup plus significatif.
« Si nous ajoutons une monooxygénase au cocktail d’enzymes, l’augmentation est de X. Si nous ajoutons la CelOCE, nous obtenons 2X : deux fois plus. Nous avons changé le paradigme de la déconstruction de la cellulose par voie microbienne. Nous pensions que les monooxygénases étaient la seule solution redox de la nature pour faire face à la récalcitrance de la cellulose. Mais nous avons découvert que la nature avait également trouvé une autre stratégie, encore meilleure, basée sur un cadre structurel minimaliste qui pourrait être repensé pour d’autres applications, telles que la bioremédiation environnementale », explique Mário Murakami.
Le chercheur explique que CelOCE reconnaît l’extrémité de la fibre de cellulose, s’y attache et la coupe par oxydation. Ce faisant, il perturbe la stabilité de la structure cristalline, la rendant plus accessible aux enzymes classiques, les glycosides hydrolases. Un fait très important est que CelOCE est un dimère, composé de deux sous-unités identiques. Tandis qu’une sous-unité « repose » sur la cellulose, l’autre est libre et peut exercer une activité d’oxydase secondaire, générant le cosubstrat nécessaire à la réaction biocatalytique.
« C’est vraiment très innovant parce que les monooxygénases dépendent d’une source externe de peroxyde, alors que CelOCE produit son propre peroxyde. Il est autosuffisant, c’est une machine catalytique complète. Son organisation structurelle quaternaire permet au site qui n’est pas engagé sur la cellulose d’agir comme générateur de peroxyde. C’est un avantage considérable, car le peroxyde est un radical très réactif. Il réagit avec beaucoup de choses. Il est très difficile à contrôler. C’est pourquoi, à l’échelle industrielle, l’ajout de peroxydes dans le processus constitue un défi technologique majeur. Avec CelOCE, le problème est éliminé. Il produit in situ le peroxyde dont il a besoin », souligne Mário Murakami.
CelOCE est une métalloenzyme : c’est sa classification exacte car elle possède un atome de cuivre intégré dans sa structure moléculaire, qui agit lui-même comme un centre catalytique. Elle n’a pas été créée en laboratoire mais découverte dans la nature. Cependant, pour l’atteindre, les chercheurs ont dû mobiliser une formidable quantité de science et d’équipement.
« Nous avons commencé par des échantillons de sol recouvert de bagasse de canne à sucre stockée depuis des décennies dans une zone adjacente à une bioraffinerie dans l’État de São Paulo. Dans ces échantillons, nous avons identifié une communauté microbienne hautement spécialisée dans la dégradation de la biomasse végétale, en utilisant une approche multidisciplinaire comprenant la métagénomique, la protéomique, l’enzymologie des glucides par des méthodes chromatographiques, colorimétriques et de spectrométrie de masse, la diffraction des rayons X sur synchrotron de quatrième génération, les spectroscopies de fluorescence et d’absorption, la mutagenèse dirigée, le génie génétique des champignons filamenteux à l’aide de CRISPR/Cas et des expériences dans des bioréacteurs d’usines pilotes de 65 litres et de 300 litres. Nous sommes passés de l’exploration de la biodiversité à l’élucidation des mécanismes à l’échelle industrielle dans une usine pilote avec la possibilité d’une application immédiate dans le monde réel », ajoute Mário Murakami.
Le chercheur souligne qu’il ne s’agit pas d’un résultat de laboratoire qui doit encore être validé avant de pouvoir être utilisé à l’échelle industrielle. La preuve de concept a déjà été démontrée à l’échelle pilote, et l’enzyme nouvellement découverte peut être immédiatement incorporée dans le processus de production – ce qui est extrêmement pertinent pour le Brésil, en tant que producteur majeur de biocarburants, et pour le monde, dans un contexte de transition énergétique urgente en raison de la crise climatique.
Le Brésil possède les deux seules bioraffineries au monde capables de produire des biocarburants à partir de la cellulose à l’échelle commerciale. La tendance est à la multiplication de ces bioraffineries et à leur reproduction dans d’autres pays. L’un des plus grands défis à relever jusqu’à présent a été la déconstruction de la biomasse cellulosique : comment la décomposer et la convertir en sucre. CelOCE devrait permettre d’accroître considérablement l’efficacité de ce processus.
« Actuellement, l’efficacité est de l’ordre de 60 à 70 %, et dans certains cas, elle peut atteindre 80 %. Cela signifie qu’une grande partie n’est pas encore utilisée. Toute augmentation du rendement est importante, car il s’agit de convertir des centaines de millions de tonnes de déchets », conclut M. Mário Murakami. Il ajoute qu’il ne s’agit pas seulement d’augmenter la production d’éthanol pour les véhicules, mais aussi pour d’autres produits, comme le biocarburant pour l’aviation.
Article : « A metagenomic ‘dark matter’ enzyme catalyses oxidative cellulose conversion » – DOI : s41586-024-08553-z.
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