Un groupe de recherche, composé du doctorant Fujiwara Ryosuke, Professeur agrégé Tanaka Tsutomu (tous deux de la Graduate School of Engineering de l'Université de Kobe) et chercheur scientifique Noda Shuhei (RIKEN Center for Sustainable Resource Science), a réussi à améliorer le rendement de la production chimique cible à partir de la biomasse. Ils y sont parvenus grâce à l'ingénierie métabolique des bactéries utilisées dans la bioproduction, de sorte qu'il utiliserait différents types de sucre absorbés à partir de la biomasse à des fins distinctes.

L'utilisation de microbes pour produire des produits chimiques cibles pose des problèmes. Si les microbes utilisent les sources de carbone (sucres) pour leur propre propagation, la production chimique cible diminue. D'autre part, la suppression de cette propagation provoque l'affaiblissement des microbes, entraînant une baisse globale de la production. Pour résoudre ce problème, l'équipe de recherche a développé une nouvelle stratégie appelée ingénierie des voies métaboliques parallèles (PMPE), leur permettant de contrôler à la fois la production chimique cible et la propagation des microbes. Ils ont utilisé cette approche pour modifier les bactéries E. coli afin de stimuler avec succès la production de l'acide muconique précurseur du nylon.

L'utilisation de la source de carbone sélectionnée uniquement pour la production chimique cible et le déploiement des sources restantes pour la propagation des microbes entraîneront de grandes avancées dans la production de composés aromatiques et de matières premières pour les produits médicaux et chimiques. Les résultats de cette recherche ont été publiés pour la première fois dans Communication Nature le 14 janvier.

L'industrie utilise les combustibles fossiles comme matières premières pour la fabrication de divers produits. Cependant, la production de composés dérivés du pétrole augmente la quantité de CO atmosphérique 2 , causant une multitude de problèmes environnementaux.

Par conséquent, il est nécessaire de développer des technologies de bioraffinerie qui impliquent l'utilisation de microbes pour produire des composés chimiques à partir de ressources renouvelables naturellement abondantes telles que les arbres et les matières végétales. Les produits dérivés de la biomasse ont l'avantage d'être neutres en carbone; ils n'augmentent pas la quantité de CO 2 dans l'atmosphère. On espère que l'utilisation de la biomasse pour produire divers composés utiles peut constituer la base d'une société à faible émission de carbone, réduire la quantité de CO atmosphérique 2 .

L'acide muconique est un produit chimique utile qui peut être facilement converti en acide adipique, un ingrédient dans la production de nylon. Il est également utilisé comme matière première dans la fabrication de produits médicaux et chimiques. Cependant, il est actuellement synthétisé chimiquement à partir de ressources pétrolières. On espère qu'une méthode de fermentation pourra être développée en utilisant des microbes et des ressources végétales renouvelables avec des conditions de réaction plus douces et moins de sous-produits.

Cependant, l'utilisation de microbes pour produire des produits chimiques cibles à partir de la biomasse pose des problèmes. Il existe de nombreux cas dans lesquels des microbes utilisant la biomasse se propagent au lieu de produire le produit chimique cible. Cependant, altérer le métabolisme pour empêcher les microbes d'augmenter les fait s'affaiblir, ce qui signifie que les produits chimiques cibles ne peuvent pas être synthétisés. L'équilibre entre l'auto-propagation des microbes et la production chimique cible est un gros problème.

Pour résoudre ce dilemme, l'équipe de recherche a développé PMPE dans lequel ils ont séparé l'utilisation du sucre entre la propagation des microbes et la production chimique cible, leur permettant de contrôler chaque processus indépendamment.

Biomasse lignocellulosique, qui ne concurrence pas les approvisionnements alimentaires mondiaux, est composé de sucres glucose et xylose (Figure 1). L'équipe de recherche a développé une stratégie métabolique qui impliquait de modifier la bactérie E. coli afin qu'elle utilise le glucose pour la production chimique cible et le xylose pour la propagation des microbes.

Dans les microbes ordinaires, le glucose et le xylose utilisent la même voie métabolique et sont tous deux utilisés pour la croissance des microbes et la production de produits chimiques cibles (comme le montre la figure 2). Cela réduit la quantité de produit chimique cible synthétisé car les microbes absorbent les sucres pour produire et maintenir les éléments et l'énergie dont ils ont besoin pour vivre.

Comme le montre la figure 2, la division de la voie métabolique des microbes permet à chaque sucre d'être utilisé indépendamment, tout le glucose étant utilisé pour la production chimique cible et tout le xylose étant utilisé pour la propagation et le maintien des microbes. Cela a permis de produire un plus grand rendement du produit chimique cible car aucune partie du glucose n'était utilisée pour la croissance des microbes.

Ce groupe de recherche a introduit une voie métabolique vers E. coli modifié pour synthétiser l'acide muconique. L'E. coli modifié utilisait le glucose et le xylose, conduisant à la production du produit chimique cible. Les chercheurs ont réussi à produire 4,26 g/L d'acide muconique avec un rendement de 0,31 g/g de glucose (Figure 3). Ceci est considéré comme le rendement le plus élevé au monde, prouver l'efficacité de la stratégie PMPE.

Ensuite, les chercheurs ont cherché à savoir si la stratégie PMPE pouvait être appliquée à la production de produits chimiques cibles autres que l'acide muconique. Par conséquent, ils ont réussi à augmenter les rendements de l'acide aminé essentiel et du composé aromatique phénylalanine, et 1, 2- propanediol, qui est utilisé comme additif dans les médicaments et les produits alimentaires. Ces résultats ont montré que le PMPE est une technique polyvalente qui peut être utilisée pour produire efficacement une variété de composés.