La chercheuse principale Aindrila Mukhopadhyay tient un flacon de cristaux d'indigoidine purifiés. Crédit :Marilyn Chung/Berkeley Lab
Souvent, les résultats de la recherche scientifique fondamentale sont loin d'un produit immédiatement accessible au public. Mais de temps en temps, l'opportunité fait une apparition précoce.
C'est le cas d'une équipe du Joint BioEnergy Institute (JBEI) du Department of Energy, dont la réflexion originale lors de l'enquête sur la biofabrication à base de microbes a conduit directement à une plate-forme de production respectueuse de l'environnement pour un pigment bleu appelé indigoidine. Avec une teinte très saturée similaire à l'indigo synthétique, une teinture utilisée dans le monde entier pour colorer le denim et bien d'autres articles, l'indigoidine produite par les champignons de l'équipe pourrait constituer une alternative à un processus largement nocif pour l'environnement.
"À l'origine extrait de plantes, la plupart de l'indigo utilisé aujourd'hui est synthétisé, " a déclaré la chercheuse principale Aindrila Mukhopadhyay, qui dirige l'équipe d'ingénierie hôte de JBEI. « Ces procédés sont efficaces et peu coûteux, mais ils nécessitent souvent des produits chimiques toxiques et génèrent beaucoup de déchets dangereux. Grâce à notre travail, nous avons maintenant un moyen de produire efficacement un pigment bleu qui utilise peu coûteux, sources de carbone durables au lieu de précurseurs agressifs. Et jusqu'à présent, la plate-forme coche de nombreuses cases dans sa promesse d'être étendue aux marchés commerciaux. »
Gouttelettes d'indigoidine purifiée, produit par des champignons issus de la bio-ingénierie, sont ajoutés à l'eau pour mettre en valeur la richesse du pigment, teinte saturée. Crédit :Marilyn Chung/Berkeley Lab
Surtout, ces marchés commerciaux ont déjà une demande considérable pour ce que les scientifiques espèrent fournir. Après avoir rencontré de nombreux acteurs clés de l'industrie textile, l'équipe a découvert que de nombreuses entreprises sont avides de pigments provenant de sources plus durables, car les clients sont de plus en plus conscients des impacts des colorants conventionnels. "Il semble y avoir un changement dans la société vers de meilleurs processus pour créer des produits de tous les jours, " a déclaré Maren Wehrs, un étudiant diplômé à JBEI et premier auteur de l'article décrivant la découverte, maintenant publié dans Chimie verte . "C'est exactement ce que JBEI essaie de faire, en utilisant des outils dérivés de systèmes biologiques - il se trouve que notre plate-forme biologique d'ingénierie a très bien fonctionné. »
L'histoire a commencé lorsque l'équipe a décidé de tester dans quelle mesure une espèce de champignon robuste appelée Rhodosporidium toruloides pouvait exprimer des peptides synthétases non ribosomiques (NRPS) - de grandes enzymes que les bactéries et les champignons utilisent pour assembler des composés importants. Les scientifiques ont examiné la capacité d'expression du NRPS de ce champignon en insérant un NRPS bactérien dans son génome. Ils ont choisi un NRPS qui convertit deux molécules d'acides aminés en indigoidine - un pigment bleu - pour permettre de savoir facilement si l'ingénierie de la souche avait fonctionné. Tout simplement, quand c'est fait, la culture deviendrait bleue.
Entrer dans cette expérience, l'indigoidine en elle-même n'était pas le principal intérêt de l'équipe. Au lieu, ils se sont concentrés sur une image plus large :explorer comment la fonctionnalité de la chaîne de montage de ces enzymes pourrait être exploitée pour créer des voies de fabrication biosynthétiques pour des composés organiques précieux, comme les biocarburants, et évaluer si les champignons représentaient ou non une bonne espèce hôte pour la production de ces composés. Mais quand ils ont cultivé leur variété modifiée, et j'ai vu à quel point la culture était bleue, ils savaient que quelque chose d'incroyable était arrivé.
Les auteurs Aindrila Mukhopadhyay et Maren Wehrs inspectent un bioréacteur rempli de leur souche Bluebelle à JBEI, Emeryville, CALIFORNIE. Crédit :Marilyn Chung/Berkeley Lab
Avec un titre moyen de 86 grammes d'indigoidine par litre de culture en bioréacteur, le rendement de la souche - qu'ils ont nommé Bluebelle - est de loin le plus élevé qui ait jamais été signalé. (Autres groupes de recherche, dont l'équipe JBEI, avoir synthétisé de l'indigoidine à l'aide de différents microbes hôtes.) Ajoutant au poids de la réalisation, le rendement record a été obtenu à partir d'un processus de culture qui utilise des éléments nutritifs et précurseurs provenant de matériel végétal durable. Les voies précédentes nécessitaient des intrants considérablement plus coûteux, mais produisaient environ un dixième de la quantité d'indigoidine.
Au-delà des applications potentielles de l'indigoidine, l'étude a atteint son objectif initial de fournir une voie de production potentielle pour d'autres NRPS, quelque chose qui est beaucoup plus précieux que n'importe quel produit unique. Ces enzymes complexes ont plusieurs sous-unités qui exécutent chacune une action distincte et prévisible en assemblant un composé à partir de molécules plus petites. Les scientifiques de JBEI et au-delà sont désireux de concevoir des enzymes qui utilisent les fonctionnalités de type bloc Lego des NRPS pour produire des bioproduits avancés qui sont actuellement difficiles à fabriquer.
"Un grand défi est d'obtenir un microbe pour exprimer efficacement de telles enzymes. Cet hôte a un potentiel énorme pour répondre à ce besoin, " dit Mukhopadhyay.
Les prochaines étapes de l'équipe seront de caractériser comment l'indigoidine pourrait être utilisée comme colorant et d'approfondir les capacités de R. toruloides.
