Une équipe dirigée par Sandia National Laboratories a démontré plus rapidement, des moyens plus efficaces de transformer les matières végétales jetées en produits chimiques valant des milliards. Les découvertes de l'équipe pourraient aider à transformer l'économie de la fabrication de carburants et d'autres produits à partir de sources renouvelables cultivées dans le pays.

Lignine, la matière dure laissée par la production de biocarburants, contient des composés qui peuvent être convertis en produits comme le nylon, plastiques et médicaments. C'est l'un des principaux composants des parois cellulaires végétales, et confère aux plantes une intégrité structurelle ainsi qu'une protection contre les attaques microbiennes.

Les produits fabriqués à partir de lignine convertie pourraient subventionner la production de biocarburants, rendre le coût des biocarburants plus compétitif par rapport au pétrole. Malheureusement, la ténacité de la lignine rend également difficile l'extraction de ses précieux composés. Les scientifiques ont lutté pendant des décennies pour le déconstruire. Par conséquent, la lignine reste souvent inutilisée dans des tas géants.

La bio-ingénieure de Sandia Seema Singh et son équipe ont démontré deux nouvelles voies de conversion de la lignine qui combinent les avantages des méthodes précédentes tout en minimisant leurs inconvénients. Les récentes découvertes de l'équipe sont décrites dans la revue Rapports scientifiques .

Une voie hybride chimique et biologique

Pour rompre les liaisons entre les composés qui composent la lignine, les scientifiques ont utilisé des produits chimiques ou de minuscules organismes tels que des bactéries ou des champignons. Les méthodes biologiques plus douces permettent la production de composés ciblés spécifiques. Mais décomposer complètement la lignine en utilisant cette approche peut prendre des semaines, voire des mois.

Inversement, les produits chimiques agressifs peuvent déconstruire la lignine en quelques heures, voire quelques minutes. Mais cette méthode nécessite des catalyseurs coûteux et est parfois toxique, et donc insoutenable. Pire, les méthodes chimiques conduisent à un mélange de composés qui apparaissent chacun en quantités extrêmement faibles.

"Vous obtenez un peu de beaucoup de divers produits chimiques lorsque vous décomposez la lignine de cette façon, " expliqua Singh. " Les quantités produites ne sont pas très utiles. "

Son équipe a démontré deux nouvelles techniques qui intègrent la vitesse d'une méthode chimique et la précision d'une méthode biologique. Dans les deux cas, L'équipe de Singh a finalement produit des produits chimiques de grande valeur qui ne sont actuellement dérivés que du pétrole :l'acide muconique et le pyrogallol.

L'acide muconique peut facilement être transformé en nylon, plastiques, résines ou lubrifiants, et le pyrogallol a des applications anticancéreuses. Ensemble, Singh rapporte, ces produits chimiques ont une valeur marchande combinée de 255,7 milliards de dollars. "L'acide muconique est ce que nous appelons un produit chimique de plate-forme. À partir de là, créer de nouveaux produits n'est vraiment qu'une question d'imagination, " elle a dit.

La bio-ingénierie raccourcit encore le processus de conversion

La première nouvelle méthode de conversion de l'équipe est un processus en plusieurs étapes qui commence par un prétraitement de la lignine avec une solution faible de peroxyde d'hydrogène et d'eau. Les molécules intermédiaires vanilline et syringate résultent du traitement.

Une souche d'E. coli spécialement modifiée par le microbiologiste de Sandia Weihua Wu consomme ensuite ces composés de stade intermédiaire, plusieurs composés supplémentaires émergent dans le mélange, et finalement le processus aboutit aux deux produits chimiques finaux.

Cependant, Singh n'était pas satisfait de la quantité d'acide muconique produite par ce procédé. Donc, elle et son équipe se sont mis au défi de trouver un moyen de maximiser leur rendement en acide muconique, et testé une seconde méthode de conversion.

La deuxième méthode évite d'avoir à décomposer complètement la lignine. Au lieu, l'équipe a génétiquement modifié un plant de tabac. Au fur et à mesure qu'il grandit, la plante produit de grandes quantités de composé intermédiaire protocatéchuate, connu sous le nom de PCA. Puis, les seules étapes restantes consistaient à extraire ce composé et à utiliser l'E. coli modifié pour fabriquer l'acide muconique.

« Nous avons pratiquement sauté les trois quarts des étapes que nous faisions auparavant en concevant l'usine pour produire des produits chimiques intermédiaires, ", a déclaré Singh. "Le PCA peut être facilement extrait du tabac modifié et converti en acide muconique avec peu d'effort."

Cette voie du génie végétal est non seulement plus efficace, mais il résout également avec succès le défi que l'équipe s'est imposé de maximiser le rendement en acide muconique jusqu'à 34 % par rapport aux méthodes de conversion précédentes.

Les méthodes hybrides sont la clé des efforts futurs

Sandia a financé la majorité des travaux de ce projet par le biais de son programme de recherche et développement dirigé par un laboratoire. Le travail d'ingénierie de la plante de tabac a été effectué par les collaborateurs de Singh de la division des matières premières du Joint BioEnergy Institute à Emeryville, Californie, dont Dominique Loque et Aymerick Eudes.

Singh dirige le programme de prétraitement de la biomasse à l'institut, qui est composé de scientifiques d'un consortium de laboratoires dont Lawrence Berkeley National Laboratory. Elle pense que les futures recherches sur l'augmentation de la valeur économique de la lignine seront fortement influencées par les démonstrations de son équipe.

Le plus grand défi dans ce domaine sera de maximiser davantage le rendement des produits chimiques précieux et la vitesse à laquelle ils peuvent être produits. « Tout le monde comprend que les approches hybrides sont la clé de la valorisation de la lignine, " a déclaré Singh.

L'adoption industrielle de cette technologie dépendra de la capacité à produire rapidement de grandes quantités de produits de grande valeur. "Si vous ne pouvez gagner que des milligrammes en un mois à partir d'un bogue, ça ne suffit pas, " dit Singh. " Vous voulez que les organismes fabriquent des quantités de kilogrammes en moins d'une heure, idéalement."